专利名称：用于制造传感器的方法
技术领域：
一般来说，本文中的主题涉及基于半导体微机电(MEMS)的传感器配置，它们可用于检测从机械应力、化学机械应力、热应力、电磁场等等生成的小力或挠曲。更具体来说，本文所公开的主题涉及用于制造基于MEMS的传感器，特别是具有压阻式读出的加速度和压力传感器的方法。
背景技术：
半导体微电子和基于MEMS的传感器的发展极大地用来减小这类传感器的尺寸和成本。已经充分记载了硅微传感器的电和机械性质。硅微机械加工和半导体微电子技术已经成长为具有许多实际应用的至关重要的传感器工业。例如，微机械加工的硅压力传感器、 加速度传感器、流量传感器、湿度传感器、麦克风、机械振荡器、光和RF开关、衰减器、微阀、 喷墨打印头、原子力显微镜探针(microscopy tip)等等众所周知在大量医疗、航天、工业和汽车市场中已经得到各种应用。硅的高强度、弹性和回弹力使它成为可以例如可用于电子频率控制或传感器结构的共振结构的理想基础材料。甚至诸如手表、斯库巴潜水设备和手持轮胎压力计之类的消费类商品可结合硅微机械加工传感器。在不断扩大的使用领域中对硅传感器的需求继续激发对于为特定环境和应用而优化的新的和不同的硅微传感器几何尺寸和配置的需要。遗憾的是，传统的块硅微机械加工技术的一个缺点在于，所得到的硅微结构的轮廓和几何尺寸极大地受到制造方法限制。 例如，采用常规蚀刻技术来蚀刻硅结构部分受硅衬底的晶体取向限制，这限制了许多预期结构的几何尺寸和小型化努力。测量压力或加速度的微传感器的不断增加的使用已经刺激了例如用作电容器以及产生静电力的小硅板结构的发展。例如，存在使用互相交叉的多晶硅板的阵列来测量电容的微传感器。类似地，存在使用分层板的阵列来产生静电力的微传感器。此外，存在响应诸如重量或加速度之类的力而测量硅结构的挠曲或弯曲的微传感器。在希望获得压力和加速度测量结果这两者的应用中。在这类应用中，在单个芯片上制造压力和加速度传感器这两者会是有利的。随着压力和加速度传感器制造成较小尺寸，希望将两种类型的传感器集成到单个芯片上，并且同时优化材料和结构特性以及制造方法。还希望制造具有高灵敏度和高可靠性的更小的加速度传感器。一般来说微机电装置以及具体来说加速度计和压力传感器的不断扩大的使用领域已经引起对于更小装置的需求。遗憾的是，生产对加速度或压力的小变化也极为敏感的更小装置一直存在困难。例如，一直需要将足够薄的挠曲结构与足够大的检测质量(或地震质量)组合以对加速度的小变化进行响应的更小加速度计。另外，由于所使用的装置的小尺寸和几何尺寸的薄性质，用于生产这类微机械加工装置的常规技术会有在制造过程期间破损以及在现场可能降低的可靠性的风险。有利的是，提供在单个芯片上制造的一个或多个传感器，它们以改进的制造和操作可靠性来提供所需的性能特性。
发明内容
在一个实施例中，公开一种用于制造传感器的方法，包括下列步骤在半导体衬底晶片中形成衬底凹槽；在半导体装置晶片中形成装置凹槽，其中装置晶片包括第一装置层、 第二装置层、第一氧化层和第二氧化层，其中第一氧化层位于第一装置层之下，第二装置层位于第一氧化层之下，第二氧化层位于第二装置层之下，以及其中装置凹槽贯穿第一装置层以露出第一氧化层；将第一装置层固定到衬底晶片，其中装置凹槽在衬底凹槽之上对齐； 以及将至少一个压阻传感器元件植入第二装置层以感测第二装置层中的挠曲。在另一个实施例中，该方法还包括在装置晶片中形成设置在衬底凹槽之上的悬挂结构，其中悬挂结构包括边界区域，边界区域除了在边界区域的挠曲区域中之外与装置晶片的其它部分脱离，其中悬挂结构包括由第一装置层的一部分、第一氧化层和第二装置层所组成的检测质量，其中边界区域的挠曲区域和边界区域的脱离部分设置成准许检测质量响应力而移动，其中检测质量的移动引起挠曲区域的挠曲，并且其中压阻传感器元件感测挠曲区域中的挠曲。在另一个实施例中，第二装置层在装置凹槽和衬底凹槽之上形成允许第二装置层中挠曲的隔膜，并且其中压阻传感器元件感测隔膜中的挠曲。 在一些实施例中，传感器可测量加速度。在其它实施例中，传感器可测量压力。
以可理解本发明的特征的方式，本发明的详细描述可通过参照某些实施例进行， 其中的一些实施例在附图中示出。但是要指出，附图仅示出本发明的某些实施例，因此不要认为是对其范围的限制，因为本发明的范围包含其它同样有效的实施例。附图不一定按比例绘制，重点一般在于说明本发明的某些实施例的特征。因此，为了进一步理解本发明，可结合附图参照以下详细描述，其中图1是本发明的一个实施例中具有集成的加速度和压力传感器的示范硅芯片的截面图。图2是本发明的一个实施例中的示范加速度传感器的顶视图。图3是本发明的一个实施例中具有蚀刻的衬底凹槽的示范衬底晶片的截面图。图4是本发明的一个实施例中具有蚀刻的装置凹槽的示范装置晶片的截面图。图5是本发明的一个实施例中接合到具有蚀刻的装置凹槽的示范装置晶片的具有蚀刻的衬底凹槽的示范衬底晶片的截面图。图6是本发明的一个实施例中、接合到具有蚀刻的装置凹槽、压阻传感器元件和关联互连的示范装置晶片的具有蚀刻的衬底凹槽的示范衬底晶片的截面图。图7是本发明的一个实施例中、接合到具有蚀刻的装置凹槽、压阻传感器元件和关联互连以及脱离的检测质量的示范装置晶片的具有蚀刻的衬底凹槽的示范衬底晶片的截面图。图8是本发明的一个实施例中用于制造示范传感器的步骤的过程流 程。
具体实施例方式根据本发明的一个实施例的一种示范装置和制造过程在绝缘体上双硅(DSOI)晶片上使用硅熔融接合硅和氧化蚀刻技术来提供集成压敏电阻加速度计和压力传感器。示范装置和过程可将压敏电阻加速度计与检测质量(有时称作地震质量)和绝对压力传感器集成在单个芯片上。根据本发明的另一个实施例的另一种示范装置和制造过程提供采用包括挠曲区域和较大检测质量的薄化悬梁所制造的加速度计。具有薄化梁的示范加速度计通过使用具有较小结构尺寸的挠曲部分来提供改进的灵敏度和增强的可靠性。各种优点可在所述示范装置和制造过程的一些实施例的实施中实现。例如，可使整个芯片尺寸小于常规芯片，因为该过程不要求从衬底晶片的背部进行氢氧化钾(KOH)蚀刻，即“背部蚀刻”。此外，平面制造过程对于制造目的是理想的。相对于检测质量来薄化挠曲梁允许增加的灵敏度和小的结构尺寸。此外，在集成加速度计和压力传感器芯片过程中， 加速度传感器梁挠曲厚度可与压力传感器隔膜厚度无关地确定大小，同时保持平面顶面和有效制造过程。所述装置和制造过程还允许过范围保护和抗静磨擦(anti-stiction)机构易于包含在结构的加速度计部分。另外，与通常要求用于压力传感器的第二个封头的常规芯片相比，仅需要用于芯片的单个封头，例如，以便覆盖加速度计的检测质量。因此，示范单个芯片过程允许采用简化制造过程的更大设计灵活性和更小芯片尺寸。具有加速度计和压力传感器的集成芯片可在许多应用中使用。一种示范应用是远程轮胎压力监测。具有集成加速度计和压力传感器的小芯片对于与车辆的速度或加速度 (线性速度和加速度可从加速度计所遇到的旋转加速度得出)相关地远程指示轮胎压力是理想的。单个集成芯片可与ASIC芯片等封装或耦合在一起，以便远程检索和操纵与压力和加速度相关的压阻传感器读数。但是，应当认识到，集成芯片和关联的制造方法可用于本文没有明确描述的各种各样的其它应用。示范微机械加工的加速度传感器可通过下列步骤来制作形成检测质量，它通过悬梁的附连从硅晶片的较大主体向外延伸。在这个实施例中，梁充当挠曲结构。加速度传感器通过感测检测质量相对于晶片或衬底的移动来测量加速度。具体来说，当检测质量相对于晶片移动时，梁上或附近适当放置的压阻传感器元件感测压阻传感器元件的电阻的变化所指示的检测质量的移动所引起的梁中的挠曲。加速度传感器灵敏度可通过DSOI晶片的各种层、特别是与远端定位的较大检测质量相关地定义悬梁的挠曲区域的层的厚度来选择性地确定。因此，可将加速度传感器制作成更小尺寸，得到增加的灵敏度。DSOI晶片的不同层可被选择性地蚀刻，以便在其中形成凹槽，其中嵌入氧化层形成帮助和简化制造过程的蚀刻停止。 示范微机械加工的绝对压力传感器可通过在硅结构内形成空腔以及与空腔相邻的隔膜来制作。对于绝对压力传感器，空腔可保持在真空中。绝对压力传感器通过感测隔膜的挠曲，例如作用于隔膜的前侧上的压力如何使隔膜向内偏转，来测量压力。在隔膜的边缘附近形成的一个或多个压阻传感器通常感测隔膜的挠曲或偏转。图1是本发明的一个实施例中具有集成加速度和压力传感器的示范硅芯片100的截面图。芯片100的一侧可包括集成芯片100的加速度传感器110，而芯片100的另一侧可包括集成芯片100的压力传感器120。加速度传感器110和压力传感器120可在硅晶片 130中的衬底凹槽132和134之上形成，硅晶片130是η型或ρ型硅晶片，在一个实施例中可在385 μ m与600 μ m之间。定位在硅晶片130之上的可以是装置晶片142。装置晶片142 可以是常规绝缘体上双硅晶片。如图4所示，绝缘体上双硅晶片可由交替装置层、即第一装置层144和第二装置层146、内埋氧化层、即第一氧化层145和第二氧化层147组成。回到图1，P型压阻传感器元件150可在策略上植入第二装置层146，以便感测硅结构中的挠曲。 芯片100还可包括上芯片钝化层164和下芯片钝化层165，它们可由例如二氧化硅层或氮化硅层组成。上和下芯片钝化层164和165为芯片100的正确操作提供绝缘。在装置晶片 142上形成的金属互连170可将压阻传感器元件150电耦合到芯片100的外部。参照图1和图2，在本发明的一个实施例中描述示范加速度传感器110及其操作。 图2示出图1的加速度传感器110的悬挂结构的示范顶视图，其中悬挂结构可设置在衬底凹槽132之上。但是，为了说明目的，图1的金属互连170、上芯片钝化层164和压阻元件 150未示出。梁113可悬挂在衬底凹槽132之上。梁113可包括挠曲区域112和检测质量区域114。梁113还可包括一般水平的边界区域102至109，它们可围绕挠曲区域112和检测质量区域114。梁113的薄化挠曲区域112可沿梁113的一个边界区域102构造到装置晶片142的较厚部分。梁113的其它边界区域102至109可与装置晶片142脱离，使得梁 113可悬挂在衬底凹槽132之上，并且使得梁113可在一般垂直于装置晶片142的水平维的方向上最自由地弯曲。可沿边界区域103至109完全通过装置晶片142垂直地蚀刻沟槽，以便限定悬梁 113。没有完全通过地蚀刻的边界区域102可通过第二装置层146的厚度来限定，并且可经过薄化以便产生挠曲区域112。挠曲区域112可包括梁113的近端，它可固定到装置晶片 142的锚区域115。挠曲区域112相对于挠曲区域112可固定到的装置晶片142的相邻锚区域115可以较薄。在图1和图2的实施例中，锚区域115没有悬挂在衬底凹槽132之上。但是大家会理解，锚区域115可悬挂在衬底凹槽132之上。挠曲区域112相对于可包括梁113 的远端部分的检测质量区域114也可以较薄。挠曲区域112相对于它可固定到的锚区域115 的薄度可促进悬梁113在一般平行于装置晶片142的垂直维的方向上的移动。装置晶片142 的垂直维在图1中由标记为ζ的箭头表示。垂直维一般垂直于装置晶片142的水平平面。 具体来说，挠曲部分112相对于它可固定到的锚区域115的薄度便于挠曲区域112 的挠曲，从而引起检测质量区域114围绕穿过挠曲区域112的水平轴X-X离开装置晶片142 的平面的一般旋转移动，如图2所示。例如，当挠曲区域112响应加速度力而挠曲时，检测质量114可至少暂时移动到可略高于或者略低于装置晶片142的水平表面的位置。装置晶片142的水平维在图2中由标记为χ和y的轴表示。水平维与装置晶片142的水平平面平行。当例如在一般垂直于装置晶片142的水平维的方向上施加加速度力时，检测质量区域 114的相对厚度还可促进这种移动。因此，加速度传感器110通过测量梁113中由检测质量114的运动所引起的挠曲进行工作，检测质量114可由从装置晶片142延伸的梁113定位在衬底凹槽132之上。梁 113的挠曲或弯曲可由一个或多个压阻传感器元件150来感测，压阻传感器元件150可位于梁113的锚区域115或基部附近，即梁113从装置晶片142延伸的点附近。压阻传感器元件150的电阻的变化可经由金属化元件170来确定，以便确定挠曲量以及传感器所遇到的加速度。 此外，封头117可在芯片100的加速度传感器110部分之上形成，以便保护结构免受环境影响。封头117可包含包围检测质量114的阻尼流体或气体。另外，凹部118可包含在衬底凹槽132的底部上或者封头117的下侧上，作为过范围保护和抗静磨擦结构，即， 防止大加速度对结构的损坏。例如，对于高达10000G(1G = 9. 81m/s2)的冲击力，封头117 和凹部118可保护硅结构。压力传感器120通过测量薄化结构或隔膜122中的挠曲进行工作，薄化结构或隔膜122在装置晶片142中在衬底晶片130与装置晶片142之间的空腔之上形成。隔膜用作压力传感器120中的挠曲结构。当空腔外部的压力变化时，隔膜122将朝向或者背离衬底凹槽134挠曲。在一个示例中，可形成压力传感器120，其中在空腔中具有真空，由此形成绝对压力传感器。隔膜122将由于施加到隔膜上的压力而以可预测方式朝空腔向内挠曲。 隔膜122中的挠曲可由一个或多个压阻传感器元件150来检测，压阻传感器元件150在第二装置层146中、在隔膜122的边缘之上或附近形成。压阻元件150的电阻可经由使用金属化元件170互连的诸如惠斯登电桥电路之类的电路来确定。压阻元件150的电阻随隔膜 122的挠曲而改变。因此，压阻电阻的测量可用于确定挠曲量，并且因而确定施加到传感器上的压力。参照图1和图3至图8所示的图解说明来描述用于制造如图1所示的硅传感器的示范过程。图3是本发明的一个实施例中具有蚀刻的衬底凹槽132和134的示范衬底晶片130的截面图。衬底晶片130可以是单晶硅衬底，它在一个实施例中可以为385μπι至 600 μ m厚，并且具有η型或ρ型掺杂。另外，衬底晶片130可具有上衬底钝化层162和下衬底钝化层163。上和下衬底钝化层162和163可以是例如二氧化硅或氮化硅层，并且可使用常规技术沉积在衬底晶片130的上和下表面上，以便在制造期间向衬底晶片130提供绝缘和保护。图8是示出本发明的一个实施例中用于制造示范传感器的步骤的过程流程。在步骤301，可用作加速度传感器110和压力传感器120的内腔的一部分的衬底凹槽132和134 可使用诸如等离子体蚀刻、采用氢氧化钾(KOH)、氢氧化四甲铵(TMAH)或其它硅蚀刻剂的湿式蚀刻之类的标准半导体蚀刻技术、通过上衬底钝化层162来形成到衬底晶片130中。另夕卜，可采用高各向异性干式蚀刻。高各向异性蚀刻允许衬底凹槽132和134的较高纵横比。衬底凹槽132和134可具有任何任意几何尺寸，并且可具有任何所需深度，例如， 从小于0. 1微米到大于100微米，取决于特定应用。此外，一个或多个凹部118 (图1)可在衬底凹槽132的底部中形成，以便避免当检测质量114位移到超出其工作范围时的静磨擦。 还应当指出，衬底凹槽132和134无需具有单一的均勻深度。此外，衬底凹槽132和134的表面可以是裸硅、被氧化的硅、掺杂硅，或者它们可涂敷有能够耐受后续晶片接合和加工温度的任何其它薄膜。图4是本发明的一个实施例中具有蚀刻的装置凹槽119和122的示范装置晶片 142的截面图。装置晶片142可以是常规的绝缘体上双硅(DSOI)晶片。DSOI晶片可由与内埋氧化层、即第一氧化层144和第二氧化层146交替的若干装置层、即第一装置层144和第二装置层146组成。在一个实施例中，第一装置层144可由例如厚度在1 μ m和50 μ m之间的η型或ρ型硅组成，而第二装置层146可由例如厚度在1 μ m与50 μ m之间的η型硅组成。另外，第一和第二氧化层145和147可由例如二氧化硅组成，并且厚度在0.25μπι至 Ι.Ομπι之间。DSOI晶片的各种层的厚度可使用常规芯片制造技术准确设置，并且可选择成使得层的厚度确定加速度传感器110和压力传感器120的后续工作特性，下面进行描述。用于在制造过程期间夹持装置晶片142的处理层148可位于交替的装置和内埋氧化层的底部。处理层148可由例如厚度在385 μ m至600 μ m之间的η型或ρ型硅组成。上装置钝化层160可沉积在第一装置层144的外部面上，而下装置钝化层161可沉积在处理层148的内部面上，两个层都是例如常规二氧化硅或氮化硅层，以便在制造过程期间对装置晶片142进行绝缘和保护。装置晶片142可分为加速度传感器区域111和压力传感器区域 121。随后，参照图8中的步骤302，可创建装置凹槽119和装置凹槽124，它们可以是蚀刻到装置晶片142中的空腔。可利用常规湿式或干式蚀刻技术来蚀刻上钝化层160的氧化物，以便暴露下面的第一装置层144。加速度传感器区域111和压力传感器区域121的上装置钝化层160的蚀刻可独立或同时执行。一旦去除上钝化层160并且暴露第一装置层144， 则可再次使用行业中常规的湿式或干式蚀刻技术来蚀刻第一装置层144的硅。蚀刻加速度传感器区域111上的第一装置层144可形成最终产生已完成加速度传感器110中的梁113 的部分，而在压力传感器区域121上的同样蚀刻可形成最终产生已完成压力传感器120中的隔膜122的部分。第一氧化层145提供便利的蚀刻停止，并且简化制造过程。蚀刻中的每个可具有任何任意几何尺寸，并且可具有任何所需深度，取决于特定应用。另外，蚀刻无需具有单一的均勻深度，并且所产生的蚀刻可以是各向同性的或各向异性的。在一个实施例中，可进行第一装置层144的部分蚀刻。同样，可为加速度传感器区域 111和压力传感器区域121独立开发不同的蚀刻特性。各蚀刻的所选深度可经过选择以实现所得到的加速度传感器110和压力传感器120的设计特性。例如，为建立压力传感器120 的隔膜122而进行的蚀刻的深度可经过选择，使得可有目的地为特定压力范围选择隔膜的厚度。此外，DSOI晶片中的各种装置和氧化层的厚度可经过选择以控制所得到的微装置的尺寸，并且由此控制所得到的传感器的灵敏度。可选地，取决于设计要求，还可使用行业中常规的湿式或干式蚀刻技术为加速度传感器区域111或压力传感器区域121中的一个或两者蚀刻第一氧化层145，如图4所示。如果保留，则第一氧化层145可偏移来自加速度传感器110和压力传感器120中的钝化层164的应力。随后，参照图8的步骤303，衬底晶片130和装置晶片142可与位于两个晶片之间的界面处的第一装置层144对齐并且固定在一起。图5是本发明的一个实施例中、接合到具有蚀刻的装置凹槽119和124的示范装置晶片142的具有蚀刻的衬底凹槽132和134的示范衬底晶片130的截面图。在一个实施例中，装置晶片142的装置凹槽119可在衬底晶片130中所形成的衬底凹槽132的一个边缘附近和之上对齐，并且通过硅熔融接合(或直接接合)过程固定到其中。在另一个实施例中，装置凹槽124可在衬底凹槽134之上居中。 在一种示范熔融接合技术中，可使相对表面是亲水的。也就是说，它们可采用使水附着于它们的强氧化剂来处理。两个晶片则可在高温环境中放置接合质量所需要的足够的时间段。上述硅熔融 接合技术将衬底晶片130和装置晶片142接合在一起，而无需使用可能具有与单晶硅晶片不同的热膨胀系数的中间粘合材料。此外，可执行熔融接合，其中氧化层或氮化层在晶片中的一个或两个的所接合表面中已经形成。在晶片130和装置晶片142的相对表面已经接合之后，可使用在第二氧化层147 上停止的如KOH之类的湿式蚀刻剂去除装置晶片142的处理层148。另外，如图5所示，可使用湿式或干式蚀刻技术去除第二氧化层147，仅留下由第一氧化层145分隔的第一和第二装置层144、146。随后，上和下芯片钝化层164和165可沉 积在第二装置层146和衬底晶片130的外表面上。随后，参照图8的步骤304，一个或多个压阻传感器元件150可通过下列步骤来添加在一个实施例中，在梁113的基部附近以及隔膜122的边缘附近将ρ型材料扩散或离子植入到掺杂η型第二装置层146中。梁113和隔膜122可作为第二装置层146的一部分来形成。图6是本发明的一个实施例中、接合到具有蚀刻的装置凹槽119和122、压阻传感器元件150及相应的关联压阻和金属互连151和170的示范装置晶片142的具有蚀刻的衬底凹槽132和134的示范衬底晶片130的截面图。例如，在高温的硼植入和扩散可形成压阻传感器元件150。压阻传感器元件150可定位成感测梁113和隔膜122中的挠曲。应当指出，可采用任何数量的压阻传感器元件150，并且它们相对于梁113和隔膜122的准确定位可随着具体的应用、预计的压力、加速度、灵敏度要求等等而有所不同。另外，可通过将P型材料扩散或离子植入到掺杂η型第二装置层146中来添加向压阻传感器元件150提供电导率的压敏电阻互连151。随后，可添加金属互连170，从而通过压敏电阻互连151提供从芯片100的外表面到压阻传感器150的电导率。金属互连170可由例如金或铝来形成，并且可被创建到预期厚度以适合芯片设计需要。最后，可执行通过使检测质量114脱离来形成悬挂结构的可选步骤。图7是本发明的一个实施例中、接合到具有蚀刻的装置凹槽119和122、压阻传感器元件150及相应的关联压阻和金属互连151和170以及脱离的检测质量114的示范装置晶片142的具有蚀刻的衬底凹槽132和134的示范衬底晶片130的截面图。可使用常规干式或湿式蚀刻技术来使检测质量114脱离，使得检测质量114可由梁113悬挂在衬底凹槽132之上。例如，在单独使用干式技术的一个实施例中，可通过上芯片钝化层164、第二装置层146、第一氧化层145 以及通过第一装置层144来进行脱离蚀刻175，如图7所示。这个步骤使检测质量114在机械上脱离了装置晶片142，由此允许梁113和检测质量114相对于晶片130和装置晶片142 移动。例如，检测质量114可响应加速度传感器110的加速度而离开装置晶片142的平面上下移动。检测质量114的移动引起梁113中的挠曲，它可由一个或多个压阻传感器元件 150来感测。备选地，如果要求检测质量114的不同几何形状，则不同实施例可在制造过程的不同阶段利用不同的蚀刻技术。例如，在另一个实施例中，当形成装置凹槽119的同时，可进行检测质量蚀刻(未示出)，它是第一装置层144的附加蚀刻。检测质量蚀刻可使用湿式蚀刻技术来进行，使得在检测质量114的后续脱离时，检测质量蚀刻可形成检测质量114 的一部分，并且为它提供各向同性或各向异性几何形状。通过上芯片钝化层164、第二装置层146和第一氧化层145的干式蚀刻的加速度传感器110的后续脱离导致具有各向同性或各向异性几何形状的检测质量114悬挂在衬底凹槽132之上。备选地，在另一个实施例中， 检测质量蚀刻可以是当装置凹槽119被形成的同时所执行的第一装置层144的附加干式蚀亥IJ，使得在检测质量114的后续脱离时，检测质量蚀刻可形成检测质量114的一部分，并且为它提供各向异性几何形状。在这个实施例中，上芯片钝化层164、第二装置层146和第一氧化层145的后续干式蚀刻可导致具有各向异性几何形状的检测质量114悬挂在衬底凹槽 132之上。另外，再次参照图1，加速度传感器110可使用封头117来封装，例如，以便将结构与如湿度之类的环境影响隔离，或者在真空或阻尼流体或气体内隔离梁113和检测质量 114。封头117可使用接合材料116通过行业中使用的各种常规手段接合到装置晶片142， 这些常规手段包括例如Au-Si、Au-Sn共晶接合、Au-Au热压缩接合、玻璃粉接合或者使用 benzocylcobutene (BCB)作为接合材 料116的粘合剂接合。另外，一个或多个凹部118可包含在凹槽的底部或封头117的下侧上，以便在过范围位移发生时防止静磨擦。因此，可生产小的高灵敏度的加速度计。梁113的检测质量114部分的厚度并且因而其重量可通过第一装置层144、第一氧化层145和第二装置层146的厚度非常准确地确定。梁113的挠曲部分的准确厚度也可通过第二装置层146的厚度来确定。梁113的检测质量114的重量和挠曲部分的厚度的准确控制结合起来可得到高选择性的和可定制的设计，该设计具有对加速度计的灵敏度的更准确控制。因此，可生产较小的悬梁结构，其中挠曲区域薄度和地震质量厚度可经过选择以实现对加速度的变化的预期灵敏度。类似地，第二装置层146的所选厚度导致对隔膜122的灵活性的改进控制。同样，第一氧化层145的厚度可被准确地选择，从而控制确定加速度传感器110和压力传感器120的性能的各种设计参数。氧化层用作蚀刻停止简化了制造过程，并且消除了对于定时蚀刻的需要以及所产生的制造不一致性。图1至8所示的方法可并行地或依次地执行，以便在单个芯片上形成集成加速度传感器和压力传感器。并行执行该过程提供更大处理吞吐量、即用于组合芯片的更少总处理步骤的优点。另外，并行过程允许梁113的厚度与隔膜122的厚度无关。例如，通过将第二装置层144中的凹槽119和124蚀刻到不同深度，形成梁113和隔膜122，可单独优化各传感器的灵敏度。提供以上详细描述以便说明示范实施例，而不是要进行限制。虽然针对测量加速度和压力的实施例示出和描述了用于制造传感器的方法，但是本领域的技术人员清楚地知道，类似技术可用于制造能够测量其它参数的传感器。本领域的技术人员还清楚地知道，本发明的范围之内的许多修改和变化是可能的。例如，可采用所述示范方法中的任一种依次或并行地在单个芯片上制造加速度传感器Iio和压力传感器120。单个芯片中的集成传感器可用于例如远程轮胎压力和加速度监测系统等等。此外，在所述的示范方法和结构的范围之内，可使用许多其它材料和过程，这是本领域的技术人员会知道的。例如，应当知道，例如，通过用P型材料取代η型材料或者用η型材料取代P型材料，可以交替方式来使用本文所述的P型和η型材料。另外，本文所述的方法可用于在单个芯片上创建加速度传感器110 和压力传感器120，或者用于创建独立的加速度传感器110或者独立的压力传感器120。本书面描述使用示例来公开本发明，其中包括最佳模式，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本发明的可专利范围由权利要求来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有与权利要求的文字语言没有差异的结构要素，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构要素，则这类其它示例意在处于权利要求的范围之内。
配件表
100芯片
102边界区域
103边界区域
104边界区域
105边界区域
106边界区域
107边界区域
108边界区域
109边界区域
110加速度传感器
111加速度传感器区域
112挠曲区域
113梁
114检测质量
115锚区域
116接合材料
117封头
118凹部
119装置凹槽
120压力传感器
121压力传感器区域
122隔膜
124装置凹槽
130衬底晶片
132衬底凹槽
Π4衬底凹槽
142装置晶片
144第一装置层
145第一氧化层
146第二装置层
147第二氧化层
148处理层
150压阻传感器元件
151压阻互连
160上装置钝化层
161下装置钝化层
162上衬底钝化层
163下衬底钝化层164上芯片钝化层165下芯片钝化层170金属互连175脱离蚀刻301过程步骤(形成衬底晶片凹槽)302过程步骤(形成装置晶片凹槽)303过程步骤(将装置晶片固定到衬底晶片)304过程步骤(植入压阻传感器元件)
权利要求
1.一种用于制造传感器的方法，包括下列步骤在半导体衬底晶片(130)中形成衬底凹槽(132，134)；在半导体装置晶片(142)中形成装置凹槽(119)，其中所述装置晶片(142)包括第一装置层(144)、第二装置层(146)、第一氧化层(14 和第二氧化层(147)，其中所述第一氧化层(14 位于所述第一装置层(144)之下，所述第二装置层(146)位于所述第一氧化层 (145)之下，并且所述第二氧化层(147)位于所述第二装置层(146)之下，以及其中所述装置凹槽(124)贯穿所述第一装置层(144)以暴露所述第一氧化层(145)；将所述第一装置层(144)固定到所述衬底晶片(130)，其中所述装置凹槽(119)在所述衬底凹槽(132，134)之上对齐；以及在所述第二装置层(146)中植入至少一个压阻传感器元件(150)，以便感测所述第二装置层(146)中的挠曲。
2.如权利要求1所述的用于制造传感器的方法，其中，在所述半导体装置晶片(142)中形成所述装置凹槽(124)的所述步骤还包括使用干式氧化蚀刻技术来蚀刻所述第一氧化层(145)的步骤。
3.如权利要求1所述的用于制造传感器的方法，其中，在所述半导体装置晶片(142)中形成所述装置凹槽(119)的所述步骤还包括使用湿式氧化蚀刻技术来蚀刻所述第一氧化层(145)的步骤。
4.如权利要求1所述的用于制造传感器的方法，其中，所述第一氧化层(145)改进所述传感器的高温性能。
5.如权利要求1所述的用于制造传感器的方法，其中，所述第一氧化层(145)平衡所述传感器内的内应力，并且改进所述传感器的灵敏度。
6.如权利要求1所述的用于制造传感器的方法，其中，所述第一装置层(144)、所述第一氧化层(14 和所述第二氧化层(146)的厚度确定所述传感器的灵敏度。
7.如权利要求1所述的用于制造传感器的方法，还包括以下步骤在所述装置晶片(14 中形成设置在所述衬底凹槽(132，134)之上的悬挂结构，其中所述悬挂结构包括边界区域(102-109)，所述边界区域除了在所述边界区域(102-109)的挠曲区域(112)中之外脱离所述装置晶片(142)的其它部分，其中所述悬挂结构包括由所述第一装置层(144)、所述第一氧化层(14 和所述第二装置层(146)的部分组成的检测质量(114)，其中所述边界区域(102-109)的所述挠曲区域(112)和所述边界区域(102-109) 的脱离部分设置成准许所述检测质量(114)响应力而移动，其中所述检测质量(114)的所述移动引起所述挠曲区域(112)中的挠曲，并且其中所述压阻传感器元件(150)感测所述挠曲区域(112)中的所述挠曲。
8.如权利要求7所述的用于制造传感器的方法，其中，在所述装置晶片(142)中形成设置在所述衬底凹槽(132，134)之上的所述悬挂结构的所述步骤中，使用干式半导体和氧化蚀刻技术使所述边界区域脱离所述装置晶片(14 的所述其它部分。
9.如权利要求7所述的用于制造传感器的方法，其中，在所述半导体装置晶片(142)中形成所述装置凹槽(119)的所述步骤还包括在所述装置晶片(14 中形成检测质量(114) 凹槽的步骤，其中所述检测质量凹槽贯穿所述第一装置层(144)以暴露所述第一氧化层 (145)，其中在所述装置晶片(14 中形成设置在所述衬底凹槽(132，134)之上的所述悬挂结构的所述步骤中，使用干式半导体和氧化蚀刻技术使所述边界区域(102-109)脱离所述装置晶片(14 的所述其它部分，以及其中所述检测质量(114)凹槽的一部分形成所述检测质量(114)的一部分。
10.如权利要求7所述的用于制造传感器的方法，其中，在将所述装置晶片(142)的所述第一装置层(144)固定到所述衬底晶片(130)的所述表面的所述步骤中，所述装置凹槽 (119)在所述衬底凹槽(132，134)之上完全对齐。
11.如权利要求7所述的用于制造传感器的方法，其中，所述传感器测量加速度。
12.如权利要求1所述的用于制造传感器的方法，其中，所述第二装置层(146)在所述装置凹槽(119)和所述衬底凹槽(132，134)之上形成允许在所述第二装置层(146)中挠曲的隔膜(122)，并且其中所述压阻传感器元件(150)感测所述隔膜(12 中的所述挠曲。
13.如权利要求12所述的用于制造传感器的方法，其中，在将所述装置晶片(142)的所述第一装置层(144)固定到所述衬底晶片(130)的所述表面的所述步骤中，所述装置凹槽 (119)在所述衬底凹槽(132，134)之上居中。
14.如权利要求12所述的用于制造传感器的方法，其中，所述传感器测量压力。
全文摘要
公开一种用于制造传感器的方法，在一个实施例中，所述方法将蚀刻的半导体衬底晶片(130)接合到包括绝缘体上双硅晶片的蚀刻的装置晶片(142)，从而创建悬挂结构，悬挂结构的挠曲由嵌入的压阻传感器元件(150)来感测。在一个实施例中，传感器测量加速度。在其它实施例中，传感器测量压力。
文档编号H01L41/22GK102157679SQ20101062437
公开日2011年8月17日 申请日期2010年12月28日 优先权日2009年12月28日
发明者N·V·曼特拉瓦迪, S·K·加米奇 申请人:通用电气公司