一种mems压阻式加速度、压力集成传感器及制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器及其制造方法，所述的传感器同时集成了压阻式加速度传感器和压阻式压力传感器，并且具有第一键合玻璃-硅基-第二键合玻璃三明治结构；本发明MEMS压阻式加速度、压力集成传感器结构新颖、重量轻、体积小、稳定性好、抗污染能力强；此外，本发明中，同一片芯片上使用相同的工艺，不同的设计来实现压力测量和加速度测量这两种能力，工艺流程简单；本发明传感器在航空航天、军事、汽车、环境监测等领域具有一定的应用前景。
【专利说明】一种MEMS压阻式加速度、压力集成传感器及制造方法 (一）
【技术领域】
[0001] 本发明涉及MEMS(微机电系统）传感器领域中的压阻式加速度、压力集成传感器 及其制造方法，具体涉及一种基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器及 其制造方法。 (二）
【背景技术】
[0002] 随着微加工技术的进步和小型智能传感系统的应用需求，多个传感器在单片上的 集成成为一种发展趋势。在航空航天、军事、汽车、环境监测等领域中，经常要同时测量加速 度、压力、温度等参数。但在这些应用中，由于环境适应性、体积、成本和功能等的严格限制， 要求传感器具有微型化、集成化、多功能的特点。集成传感器能够在同一芯片上集成多个不 同的传感器，用以对不同的物理量同时进行检测，而且体积小、单位成本低，在上述领域具 有广泛的潜在应用前景，因此受到国内外越来越多的关注。然而和集成电路相比，传感器的 集成显得更为困难，原因是不同传感器的工作原理和结构方案差别很大，从工作原理上看， 有的传感器是电阻敏感原理，有的传感器是电容敏感原理；从结构方案上看，有些需要薄膜 等特殊结构，有些则需要特殊的敏感材料。因此将这些不同原理和结构的传感器进行集成 制造，需要研究一套特定的工艺方法。 (三）
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种基于阳极键合封装技术、表面微加工、体微加工工艺的 MEMS压阻式加速度、压力集成传感器及其制造方法，实现直接将两种传感器在一个圆片上 的集成制造。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0005] -种MEMS压阻式加速度、压力集成传感器，所述的传感器同时集成了压阻式加速 度传感器和压阻式压力传感器，并且具有第一键合玻璃-硅基-第二键合玻璃三明治结构； 所述的硅基内部形成有压阻式加速度传感器悬臂梁和压阻式压力传感器膈膜，硅基的正面 形成有两个压阻区域，分别是压阻式加速度传感器的压阻区域和压阻式压力传感器的压阻 区域；所述压阻式加速度传感器的压阻区域位于压阻式加速度传感器悬臂梁的上表面根 部，并且注入有淡硼形成4根淡硼扩散压阻，同时淡硼扩散压阻的内部注入有浓硼形成浓 硼欧姆接触区；所述压阻式压力传感器的压阻区域位于压阻式压力传感器膈膜的上表面， 也注入有淡硼形成4根淡硼扩散压阻，并且淡硼扩散压阻的内部注入有浓硼形成浓硼欧姆 接触区；所述的两个压阻区域的上方沉积有二氧化硅层，二氧化硅层上方沉积有氮化硅层， 所述的二氧化硅层和氮化硅层一起作为绝缘钝化层，所述的绝缘钝化层开有引线孔，利用 金属导线连通两个压阻区域，并且压阻式加速度传感器压阻区域的4根淡硼扩散压阻通过 金属导线构成惠斯顿全桥连接，压阻式压力传感器压阻区域的4根淡硼扩散压阻通过金属 导线也构成惠斯顿全桥连接；所述绝缘钝化层的上方沉积有非晶硅，所述的非晶硅与第一 键合玻璃阳极键合，并且，利用非晶硅作为台阶，所述的非晶硅与第一键合玻璃键合后形成 一个真空腔体，连通压阻式加速度传感器和压阻式压力传感器；所述硅基的背面与第二键 合玻璃阳极键合，所述的第二键合玻璃带有通气孔，并且所述的通气孔位于压阻式压力传 感器膈膜的下方；所述硅基的正面还形成有浓硼导线，所述浓硼导线的上方连接有金属管 脚，浓硼导线将传感器工作区与金属管脚连通。
[0006] 本发明MEMS压阻式加速度、压力集成传感器，优选所述的硅基为η型（100)硅片； 优选所述的绝缘钝化层上方沉积的非晶硅的厚度为2?4 μ m。
[0007] 本发明MEMS压阻式加速度、压力集成传感器的工作原理如下：本发明MEMS压阻 式加速度、压力集成传感器主要基于注入硼后单晶硅的压阻特性，压阻式加速度传感器悬 臂梁和压阻式压力传感器膈膜上的淡硼扩散压阻受到力的作用后，电阻率发生变化，通过 惠斯顿全桥可以得到正比于力变化的电信号输出，通过测量电信号输出就能知道所测物理 量（包括加速度和压力）的大小。本发明中我们向η型（100)晶向硅片注入硼来实现p型 压阻，利用ΡΝ结实现压阻的隔绝，由于压阻的压阻系数的各向异性，不同方向的应力对压 阻有不同的影响，为了尽可能增加灵敏度，本发明所述的压阻式加速度传感器压阻区域的 淡硼扩散压阻和压阻式压力传感器压阻区域的淡硼扩散压阻的排布方式为：纵向沿硅基的 (1，1，〇)晶向方向、横向沿硅基的（1，_1，〇)晶向方向分布，纵向压阻系数、横向压阻系数分 别为 71. 8, -66. 3。
[0008] 为了提高灵敏度，优选本发明所述的压阻式加速度传感器为单悬臂梁设计，所述 压阻式加速度传感器压阻区域的淡硼扩散压阻为4根，2根对桥臂淡硼扩散压阻对称分布 在悬臂梁上表面根部的应力集中区域，另外2根淡硼扩散压阻对称分布在零应力区。当然， 根据不同的灵敏度需要也可以采用不同的梁结构，如单边双梁、双边双梁、双边四梁、四边 四梁、四边八梁等。并且，所述的淡硼扩散压阻也可以采用不同的分布方式，4根淡硼扩散压 阻（可以是4根，也可以8根对折型等）通过金属导线连接构成惠斯顿全桥，本发明压阻式 加速度传感器金属管脚的一种连接方式为：第四管脚接电源正极，与本发明中压阻式压力 传感器共用，第五管脚接压阻式加速度传感器输出负，第六管脚接地，第七管脚接压阻式加 速度传感器输出正。
[0009] 本发明压阻式压力传感器采用长方膜设计，4根淡硼扩散压阻平行排布，充分利用 横向压阻效应，这样的压阻式压力传感器具有桥臂阻值分布均匀，输出线性度和一致性较 好的优点。当然，根据不同的灵敏度需要，所述的淡硼扩散压阻可以采用不同的分布方式。 本发明压阻式压力传感器4根淡硼扩散压阻通过金属导线连接构成惠斯顿全桥，并且，压 阻式压力传感器金属管脚的一种连接方式为：第一管脚接压阻式压力传感器输出正，第二 管脚接地，第三管脚接压阻式压力传感器输出负，第四管脚接电源正极，与本发明中压阻式 加速度传感器共用电源正极。
[0010] 本发明还提供了一种所述MEMS压阻式加速度、压力集成传感器的制造方法，所述 的制造方法按如下步骤进行：
[0011] a)取娃片作为娃基，双面抛光，清洗，先双面沉积一层二氧化娃，再双面沉积一层 氮化硅，正面干法刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅基顶面；
[0012] b)在硅基正面热氧长一层二氧化硅保护层，正面光刻胶作掩膜光刻出压阻式加 速度传感器的压阻区域和压阻式压力传感器的压阻区域，然后分别在两个压阻区域注入淡 硼，形成淡硼扩散压阻，去除光刻胶；
[0013] c)正面光刻胶作掩膜光刻出浓硼导线区域，并在淡硼扩散压阻区域光刻出浓硼欧 姆接触区域，然后注入浓硼，形成硅基内部浓硼导线，并在淡硼扩散压阻内部形成浓硼欧姆 接触区，去除光刻胶，退火；
[0014] d)先双面沉积一层二氧化硅，再双面沉积一层氮化硅，正面的二氧化硅层和氮化 娃层一起作为绝缘钝化层；
[0015] e)正面光刻胶作掩膜光刻出分片槽区域，干法反应离子刻蚀（RIE)氮化硅、二氧 化硅至硅基顶面，露出分片槽区域的硅基；
[0016] f)正面沉积一层非晶硅，在分片槽区域非晶硅与硅基顶面直接接触；
[0017] g)正面光刻胶作掩膜光刻出工作区域以及金属管脚区域图形，RIE刻蚀非晶硅至 氮化硅层，去除光刻胶；
[0018] h)正面光刻胶作掩膜光刻出引线孔，干法RIE刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅基顶面， 去除光刻胶，形成引线孔；
[0019] i)正面沉积金属导线层，正面光刻胶作掩膜光刻出金属导线及管脚图形，腐蚀没 有光刻胶覆盖区域的金属，去除光刻胶，合金化处理，形成金属导线及金属管脚；
[0020] j)背面光刻胶作掩膜光刻出腐蚀硅窗口，RIE刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅基底面， 去除光刻胶，氮化硅、二氧化硅层作掩膜湿法腐蚀硅基形成压阻式加速度传感器、压阻式压 力传感器薄膜；
[0021] k)干法RIE刻蚀背面剩余的氮化硅、二氧化硅至硅基底面，背面进行硅-玻璃阳极 键合；
[0022] 1)正面光刻胶作掩膜光刻出悬臂梁释放图形，DRIE刻穿氮化硅、二氧化硅、硅基 形成压阻式加速度传感器的悬臂梁结构，去除光刻胶；
[0023] m)正面进行非晶硅-玻璃阳极键合；
[0024] η)划片，实现单个芯片的封装，划片分两次完成：第一次划片，去除金属管脚上方 玻璃；第二次划片划去分片槽中结构，分离单个芯片，完成封装。
[0025] 本发明所述的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器的制造方法步骤k)中，推荐 背面进行硅-玻璃阳极键合的工艺参数为：电压300?500V，电流15?20mA，温度300? 400°C，压力 2000 ?3000N，时间 5 ?lOmin。
[0026] 本发明所述的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器的制造方法步骤m)中，推荐 正面进行非晶硅-玻璃阳极键合的工艺参数为：电压450?1000V，电流15?25mA，温度 300 ?400°C，压力 2000 ?3000N，时间 15 ?25min。
[0027] 本发明所述的阳极键合技术是一种现有技术，该技术是本领域技术人员所熟知 的，其工作原理为：将直流电源正极接硅片，负极接玻璃片，由于玻璃在一定高温下的性 能类似于电解质，而硅片在温度升高到300°C?400°C时，电阻率将因本征激发而降至 0. 1Ω ·πι，此时玻璃中的导电粒子（如Na+)在外电场作用下漂移到负电极的玻璃表面，而在 紧邻硅片的玻璃表面留下负电荷，由于Na+的漂移使电路中产生电流流动，紧邻硅片的玻璃 表面会形成一层极薄的宽度约为几微米的空间电荷区（或称耗尽层）。由于耗尽层带负电 荷，硅片带正电荷，所以硅片与玻璃之间存在着较大的静电吸引力，使两者紧密接触，并在 键合面发生物理化学反应，形成牢固结合的Si-Ο共价键，将硅与玻璃界面牢固地连接在一 起。根据所述的原理，阳极键合技术并不适合在注入硼的η型硅与玻璃的键合中使用，原因 在于：P掺杂的电阻条与η型硅基构成一个PN结，在阳极键合过程中键合电流通过硅-玻 璃键合面时，500?1500V的键合电压容易将键合面附近的PN结反向击穿，导致其漏电，破 坏了 MEMS器件上的电路，影响器件的性能。针对上述现有的阳极键合技术中存在的问题， 本发明第二次键合工艺利用非晶硅作为硅基、玻璃之间的导通层，使键合电流尽可能的沿 硅-非晶硅-玻璃方向通过，有效使所述的PN结避开强电场，最终实现上层非晶硅与玻璃 的阳极键合，实验证明，这种非晶硅-玻璃阳极键合依旧能保证接近硅-玻璃的键合强度和 气密性。所述基于阳极键合封装的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器的封装需要经过两 次阳极键合，第一次键合是背面硅-玻璃阳极键合，相对比较容易实现，第二次键合是正面 非晶硅与玻璃的阳极键合，比较困难，可以适当加强键合电压，增加键合时间。本发明中，利 用非晶硅与玻璃键合还有一个非常大的优点，所述键合方法避免了玻璃与硅的直接接触， 杜绝了本来玻璃与硅键合表面可能会产生的Na+等离子的污染。
[0028] 本发明MEMS压阻式加速度、压力集成传感器结构中，正面非晶硅-玻璃键合过程 中，利用非晶硅作为台阶形成一个真空腔体，来连通压阻式加速度传感器和压阻式压力传 感器。所述的非晶硅作为台阶，并且两个传感器共用一个真空腔体的设计方法有两个非常 显著地优点：（1)去除了两个传感器之间的键合区域，减小了本发明MEMS压阻式加速度、压 力集成传感器的体积，降低了单个芯片的成本；（2)第一键合玻璃不需要进行开槽加工直 接就能进行键合。本发明MEMS压阻式加速度、压力集成传感器结构中，真空腔体的厚度直 接取决于非晶硅沉积的厚度，由于非晶硅沉积得过厚其致密度、粘附性都会受到影响，并且 会加大下步光刻的难度，所以为了避免在键合过程中玻璃与氮化硅直接键合，同时保证非 晶硅良好的性能，试验证明，本发明传感器中的非晶硅厚度可以取2?4μ m。
[0029] 本发明是利用阳极键合封装的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器，该传感器同 时集成了压阻式加速度传感器和压阻式压力传感器，推荐用η型（100)硅片作硅基，采用 表面微加工技术与体微加工技术制造带有淡硼扩散压阻的悬臂梁、膈膜作为压阻式加速度 传感器、压阻式压力传感器结构，并且利用二次阳极键合技术进行圆片级封装，其中第一次 阳极键合采用硅-玻璃阳极键合，第二次阳极键合利用非晶硅层作为中间层来分担键合电 流，保护传感器ΡΝ结，实现非晶硅-玻璃阳极键合。本发明MEMS压阻式加速度、压力集成 传感器结构新颖、重量轻、体积小、稳定性好、抗污染能力强。此外，本发明中，同一片芯片上 使用相同的工艺，不同的设计来实现压力测量和加速度测量这两种能力，工艺流程简单，利 用非晶硅-玻璃阳极键合技术的封装解决了传统硅-玻璃阳极键合过程中容易击穿硅表面 PN结和易产生离子污染等缺点。本发明传感器在航空航天、军事、汽车、环境监测等领域具 有一定的应用前景。 (四）【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1为本发明MEMS压阻式加速度、压力集成传感器的剖面结构示意图；
[0031] 图2为本发明MEMS压阻式加速度、压力集成传感器的俯视图；
[0032] 图3?图16为本发明MEMS压阻式加速度、压力集成传感器的制造工艺流程剖面 不意图：
[0033] 图3为硅基先双面沉积二氧化硅层、氮化硅层，然后正面干法刻蚀氮化硅、二氧化 娃至娃基顶面的不意图；
[0034] 图4为形成压阻式加速度传感器压阻区域的淡硼扩散压阻和压阻式压力传感器 压阻区域的淡硼扩散压阻的示意图；
[0035] 图5为形成浓硼导线和浓硼欧姆接触区的示意图；
[0036] 图6为双面沉积二氧化硅层、氮化硅层，形成绝缘钝化层的示意图；
[0037] 图7为刻蚀出分片槽区域的示意图；
[0038] 图8为正面沉积非晶硅的示意图；
[0039] 图9为刻蚀非晶娃，形成传感器工作区域以及金属管脚区域图形的示意图；
[0040] 图10为形成引线孔的示意图；
[0041] 图11为形成金属导线及金属管脚的示意图；
[0042] 图12为形成压阻式加速度传感器、压阻式压力传感器薄膜的示意图；
[0043] 图13为背面进行硅-玻璃阳极键合的示意图；
[0044] 图14为形成压阻式加速度传感器的悬臂梁结构的示意图；
[0045] 图15为正面进行非晶硅-玻璃阳极键合的示意图；
[0046] 图16为划片完成封装的示意图；
[0047] 图1?图16中：1 一正面绝缘保护层中的二氧化硅层、Γ 一背面第二二氧化硅层、 2 -正面绝缘保护层中的氮化硅层、2' 一背面第二氮化硅层、3 -金属导线、4 一第一键合 玻璃、5 -非晶娃、6 -金属管脚、7 -娃基、8 -浓硼导线、9 一压阻式压力传感器的淡硼扩 散压阻、10 -压阻式压力传感器淡硼扩散压阻内部的浓硼欧姆接触区、11 一压阻式加速度 传感器的淡硼扩散压阻、12 -压阻式加速度传感器淡硼扩散压阻内部的浓硼欧姆接触区、 13 -压阻式加速度传感器悬臂梁、14 一真空腔体、15 -通气孔、16 -压阻式压力传感器膈 膜、17 -第二键合玻璃、18 -正面第一二氧化娃层（后被刻蚀）、18' 一背面第一二氧化娃 层、19 一正面第一氮化硅层（后被刻蚀）、19' 一背面第一氮化硅层、20 -分片槽，并且，图 2中8a?8g依次表示第一?第七管脚；
[0048] 图17为本发明MEMS压阻式加速度、压力集成传感器的一种管脚连接方式；
[0049] 图17中管脚定义：①一第一管脚接压阻式压力传感器输出正、②一第二管脚接 地、③一第三管脚接压阻式压力传感器输出负、④一第四管脚接电源正极、⑤一第五管脚接 压阻式加速度传感器输出负、⑥一第六管脚接地、⑦一第七管脚接压阻式加速度传感器输 出正。 (五）【具体实施方式】
[0050] 下面结合附图对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
[0051] 如图1所示，所述一种MEMS压阻式加速度、压力集成传感器，采用了第一键合玻 璃-硅基-第二键合玻璃三明治结构，所述的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器主要包 括：硅基（7)、用于测量单轴加速度的压阻式加速度传感器悬臂梁（13)、用于测量压力的压 阻式压力传感器膈膜（16)、浓硼导线（8)、金属管脚￠)、与硅基阳极键合的第二键合玻璃 (17)以及与非晶硅（5)进行阳极键合的第一键合玻璃（4)。
[0052] 其中，所述用于测量单轴加速度的压阻式加速度传感器悬臂梁（13)的上表面根 部注入了淡硼作为压阻式加速度传感器的淡硼扩散压阻（11)，并在压阻式加速度传感器淡 硼扩散压阻内部注入浓硼形成浓硼欧姆接触区（12)，压阻式加速度传感器的压阻区域上方 沉积有二氧化硅层（1)与氮化硅层（2)作为绝缘钝化层，绝缘钝化层上开有引线孔并利用 金属导线（3)连通压阻式加速度、压力传感器的压阻区域；压阻式加速度传感器的压阻区 域包含4根淡硼扩散压阻，2根对桥臂淡硼扩散压阻对称分布在悬臂梁上表面根部的应力 集中区域，另外2根对桥臂淡硼扩散压阻对称分布在零应力区，并通过金属导线（3)构成惠 斯顿全桥连接，当存在一个垂直于器件表面的加速度后，压阻式加速度传感器悬臂梁弯曲， 位于压阻式加速度传感器悬臂梁上表面根部的压阻受到力的作用，电阻率发生变化，如图2 所示压阻式加速度传感器悬臂梁上表面根部的压阻位于惠斯顿全桥的对桥，通过惠斯顿全 桥可以得到正比于力变化的电信号输出，通过测量电信号输出就能知道加速度的大小。利 用惠斯顿全桥的设计提高了本发明中压阻式加速度传感器部分的灵敏度并且能保证良好 的线性。
[0053] 压阻式压力传感器膈膜（16)可以用于测量流体压力（包括压力、水压），所述压阻 式压力传感器隔膜（16)的上表面注入有淡硼作为压阻式压力传感器的淡硼扩散压阻（9)， 压阻式压力传感器淡硼扩散压阻内部注入浓硼形成浓硼欧姆接触区（10)，压阻式压力传感 器的压阻区域上方沉积有二氧化硅层（1)与氮化硅层（2)作为绝缘钝化层，绝缘钝化层上 开有引线孔并利用金属导线（3)连通压阻式加速度、压力传感器的压阻区域；压阻式压力 传感器的压阻区域同样包含4根淡硼扩散压阻，并通过金属导线（3)构成惠斯顿全桥连接， 当存在一个垂直于器件表面的压力后，压阻式压力传感器膈膜变形，位于压力膈膜上的压 阻受到力的作用，电阻率发生变化，如图2所示压阻式压力传感器膈膜上表面中部两根压 阻条和外侧两根压阻条分别位于惠斯顿全桥的对桥，通过惠斯顿全桥可以得到正比于力变 化的电信号输出，通过测量电信号输出就能知道所测压力的大小。利用惠斯顿全桥的设计 提高了本发明中压阻式压力传感器部分的灵敏度并且能保证良好的线性。
[0054] 芯片的封装采用二次阳极键合技术。第一次阳极键合是芯片背面带有通气孔（15) 的第二键合玻璃（17)与硅基的硅-玻璃阳极键合；第二次阳极键合采用非晶硅层作为中间 层使键合电流不通过PN结，保护传感器PN结，实现正面非晶硅（5)与第一键合玻璃（4)的 阳极键合，第二次阳极键合没有采用硅-玻璃键合的原因在于：硅-玻璃阳极键合面上存在 着PN结，键合时的强电压容易击穿PN结，破坏电路的电学性能。
[0055] 为了避免非晶硅（5)与第一键合玻璃（4)键合面的不平整性，保证封装的气密性， 所述的加速度、压力集成传感器并没有采用金属导线连接芯片工作区与金属管脚（6)，而是 利用浓硼导线（8)作为内部导线将传感器工作区与金属管脚相连。
[0056] 如图3?图16所以，本发明所述的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器的制造工 艺包括如下步骤：
[0057] a)如图3所示：取硅片作为硅基（7)，双面抛光，清洗，先双面热氧化长1 μ m厚的 二氧化硅（18)、（18'），再采用低压化学气相沉积（LPCVD)双面长0. 1 μ m厚的氮化硅（19)、 (19'），正面干法刻蚀氮化硅（19)、二氧化硅（18)至硅基（7)顶面，同时形成背面腐蚀硅的 掩膜层；所述的娃基为η型（100)娃片；
[0058] b)如图4所示：在硅基（7)正面热氧长一层薄的二氧化硅保护层（使注入离子在 一定程度上偏离入射角，以避免离子刚好位于硅基原子间的空隙并沿着某一晶向注入而导 致没有碰撞发生），正面光刻胶作掩膜光刻出压阻式加速度传感器的压阻区域和压阻式压 力传感器的压阻区域，然后分别在两个压阻区域注入淡硼，形成压阻式加速度传感器的淡 硼扩散压阻（11)和压阻式压力传感器的淡硼扩散压阻（9)，去除光刻胶；
[0059] c)如图5所示：正面光刻胶作掩膜光刻出浓硼导线区域，并在压阻式加速度传感 器的淡硼扩散压阻（11)区域和压阻式压力传感器的淡硼扩散压阻（9)区域分别光刻出浓 硼欧姆接触区域，然后注入浓硼，形成硅基内部浓硼导线（8)，以及形成压阻式加速度传感 器淡硼扩散压阻内部的浓硼欧姆接触区（12)和压阻式压力传感器淡硼扩散压阻内部的浓 硼欧姆接触区（10)，去除光刻胶，退火；
[0060] d)如图6所示：先LPCVD双面沉积0. 2 μ m厚的二氧化硅（1)、（Γ )，再LPCVD双 面沉积(λ 2μπι厚的氮化硅（2)、（2'），二氧化硅层（1)和氮化硅层（2) -起作为绝缘钝化 层；
[0061] e)如图7所示：正面光刻胶作掩膜光刻出分片槽区域，干法RIE刻蚀氮化硅（2)、 二氧化硅（1)至硅基（7)顶面，露出分片槽区域的硅基（7);
[0062] f)如图8所示：正面采用等离子体增强型化学气相沉积法（PECVD)沉积一层3 μ m 厚的非晶硅（5)，在分片槽区域非晶硅（5)与硅基（7)顶面直接接触；
[0063] g)如图9所示：正面光刻胶作掩膜光刻出工作区域以及金属管脚（6)区域图形， RIE刻蚀非晶硅（5)至氮化硅层（2)，去除光刻胶；
[0064] h)如图10所示：正面光刻胶作掩膜光刻出引线孔，干法RIE刻蚀氮化硅（2)、二氧 化硅（1)至硅基（7)顶面，去除光刻胶，形成引线孔；
[0065] i)如图11所示：正面磁控溅射一层1 μ m铝，正面光刻胶作掩膜光刻出金属导线 (3)及金属管脚（6)图形，腐蚀没有光刻胶覆盖区域的铝，去除光刻胶，合金化处理，形成铝 导线及铝管脚；
[0066] j)如图12所示：背面光刻胶作掩膜光刻出腐蚀硅窗口，RIE刻蚀氮化硅（2'）、 (19'），二氧化硅（Γ )、（18'）至硅基（7)底面，去除光刻胶，氮化硅（2'）、（19'），二氧化 硅层（Γ )、（18'）一起作掩膜湿法腐蚀硅基（7)形成压阻式加速度传感器、压阻式压力传 感器薄膜；
[0067] k)如图13所示：干法RIE刻蚀背面剩余的氮化硅（2'）、（19'），二氧化硅（Γ )、 (18'）至硅基（7)底面，背面进行硅-玻璃阳极键合；
[0068] 1)如图14所示：正面光刻胶作掩膜光刻出悬臂梁释放图形，深度反应离子刻蚀 (DRIE)刻穿氮化硅（2)、二氧化硅（1)、硅基（7)形成压阻式加速度传感器的悬臂梁结构 (13)，去除光刻胶；
[0069] m)如图15所示：正面进行非晶硅-玻璃阳极键合；
[0070] η)如图16所示：划片，实现单个芯片的封装，划片分两次完成：第一次划片，去除 金属管脚（6)上方玻璃（4);第二次划片划去分片槽中结构，分离单个芯片，完成封装。
[0071] 进一步地，按所述工艺流程制造的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器，压阻式 加速度传感器的悬臂梁和压阻式压力传感器膈膜的厚度相同，为了获得两者不同的厚度来 调整压阻式加速度、压阻式压力传感器的灵敏度，所述工艺步骤（j)中背面硅腐蚀可以分 两次完成，如图12所示，根据压阻式加速度、压阻式压力传感器对灵敏度的不同要求，本 实施例中压阻式加速度传感器的悬臂梁厚度为12 μ m，而压阻式压力传感器膈膜的厚度为 30 μ m，这时需要先腐蚀压阻式压力传感器背腔，腐蚀出深度差后再一起腐蚀，具体工艺流 程为：背面光刻胶作掩膜光刻打开压阻式压力传感器背面腐蚀窗口，RIE刻蚀掉氮化硅、二 氧化硅至硅基底面，氮化硅、二氧化硅层作掩膜，40 % KOH溶液湿法腐蚀硅基，腐蚀深度控 制在18 μ m，形成两传感器背腔的腐蚀深度差，然后再光刻胶作掩膜光刻打开压阻式加速度 传感器背面腐蚀窗口，RIE刻蚀掉氮化硅、二氧化硅至硅基底面，40% K0H溶液湿法腐蚀硅 基直到腐蚀出想要的压阻式加速度传感器悬臂梁与压阻式压力传感器膈膜，两次腐蚀以后 形成厚度不同的压阻式加速度传感器悬臂梁和压阻式压力传感器膈膜结构。
[0072] 进一步，为了保证两次阳极键合的质量，通过多次试验，本发明给出了所述MEMS 压阻式加速度、压力集成传感器的最优键合参数，如表1，2所示。
[0073] 表1第一次阳极键合（硅-玻璃）参数
[0074]
【权利要求】
1. 一种MEMS压阻式加速度、压力集成传感器，其特征在于所述的传感器同时集成了压 阻式加速度传感器和压阻式压力传感器，并且具有第一键合玻璃-硅基-第二键合玻璃三 明治结构；所述的硅基内部形成有压阻式加速度传感器悬臂梁和压阻式压力传感器膈膜， 硅基的正面形成有两个压阻区域，分别是压阻式加速度传感器的压阻区域和压阻式压力传 感器的压阻区域；所述压阻式加速度传感器的压阻区域位于压阻式加速度传感器悬臂梁的 上表面根部，并且注入有淡硼形成4根淡硼扩散压阻，同时淡硼扩散压阻的内部注入有浓 硼形成浓硼欧姆接触区；所述压阻式压力传感器的压阻区域位于压阻式压力传感器膈膜的 上表面，也注入有淡硼形成4根淡硼扩散压阻，并且淡硼扩散压阻的内部注入有浓硼形成 浓硼欧姆接触区；所述的两个压阻区域的上方沉积有二氧化硅层，二氧化硅层上方沉积有 氮化硅层，所述的二氧化硅层和氮化硅层一起作为绝缘钝化层，所述的绝缘钝化层开有引 线孔，利用金属导线连通两个压阻区域，并且压阻式加速度传感器压阻区域的4根淡硼扩 散压阻通过金属导线构成惠斯顿全桥连接，压阻式压力传感器压阻区域的4根淡硼扩散压 阻通过金属导线也构成惠斯顿全桥连接；所述绝缘钝化层的上方沉积有非晶硅，所述的非 晶硅与第一键合玻璃阳极键合，并且，利用非晶硅作为台阶，所述的非晶硅与第一键合玻璃 键合后形成一个真空腔体，连通压阻式加速度传感器和压阻式压力传感器；所述硅基的背 面与第二键合玻璃阳极键合，所述的第二键合玻璃带有通气孔，并且所述的通气孔位于压 阻式压力传感器膈膜的下方；所述硅基的正面还形成有浓硼导线，所述浓硼导线的上方连 接有金属管脚，浓硼导线将传感器工作区与金属管脚连通。
2. 如权利要求1所述的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器，其特征在于所述的压阻 式加速度传感器压阻区域的淡硼扩散压阻和压阻式压力传感器压阻区域的淡硼扩散压阻 的排布方式为：纵向沿硅基的（1，1，〇)晶向方向、横向沿硅基的（1，_1，〇)晶向方向分布，纵 向压阻系数、横向压阻系数分别为71. 8、-66. 3。
3. 如权利要求1所述的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器，其特征在于所述的压阻 式加速度传感器为单悬臂梁设计，压阻式加速度传感器压阻区域的淡硼扩散压阻为4根， 其中2根对桥臂淡硼扩散压阻对称分布在悬臂梁根部的应力集中区域，另外2根淡硼扩散 压阻对称分布在零应力区。
4. 如权利要求1所述的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器，其特征在于所述的压 阻式压力传感器采用长方膜设计，压阻式压力传感器压阻区域的4根淡硼扩散压阻平行排 布。
5. 如权利要求1所述的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器，其特征在于所述的金属 管脚有7个，第一管脚接压阻式压力传感器输出正、第二管脚接地、第三管脚接压阻式压力 传感器输出负、第四管脚接电源正极、第五管脚接压阻式加速度传感器输出负、第六管脚接 地、第七管脚接压阻式加速度传感器输出正，压阻式压力传感器和压阻式加速度传感器共 用电源正极。
6. 如权利要求1?5所述的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器，其特征在于所述的 硅基为η型（100)硅片。
7. 如权利要求1?5所述的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器，其特征在于所述的 绝缘钝化层上方沉积的非晶硅的厚度为2?4 μ m。
8. 如权利要求1所述的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器的制造方法，其特征在于 所述的制造方法按如下步骤进行： a) 取娃片作为娃基，双面抛光，清洗，先双面沉积一层二氧化娃，再双面沉积一层氮化 硅，正面干法刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅基顶面； b) 在硅基正面热氧长一层二氧化硅保护层，正面光刻胶作掩膜光刻出压阻式加速度传 感器的压阻区域和压阻式压力传感器的压阻区域，然后分别在两个压阻区域注入淡硼，形 成淡硼扩散压阻，去除光刻胶； c) 正面光刻胶作掩膜光刻出浓硼导线区域，并在淡硼扩散压阻区域光刻出浓硼欧姆接 触区域，然后注入浓硼，形成硅基内部浓硼导线，并在淡硼扩散压阻内部形成浓硼欧姆接触 区，去除光刻胶，退火； d) 先双面沉积一层二氧化娃，再双面沉积一层氮化娃，正面的二氧化娃层和氮化娃层 一起作为绝缘钝化层； e) 正面光刻胶作掩膜光刻出分片槽区域，干法RIE刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅基顶面， 露出分片槽区域的硅基； f) 正面沉积一层非晶硅，在分片槽区域非晶硅与硅基顶面直接接触； g) 正面光刻胶作掩膜光刻出工作区域以及金属管脚区域图形，RIE刻蚀非晶硅至氮化 娃层，去除光刻胶； h) 正面光刻胶作掩膜光刻出引线孔，干法RIE刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅基顶面，去除 光刻胶，形成引线孔； i) 正面沉积金属导线层，正面光刻胶作掩膜光刻出金属导线及管脚图形，腐蚀没有光 刻胶覆盖区域的金属，去除光刻胶，合金化处理，形成金属导线及金属管脚； j) 背面光刻胶作掩膜光刻出腐蚀硅窗口，RIE刻蚀氮化硅、二氧化硅至硅基底面，去除 光刻胶，氮化硅、二氧化硅层作掩膜湿法腐蚀硅基形成压阻式加速度传感器、压阻式压力传 感器薄膜； k) 干法RIE刻蚀背面剩余的氮化硅、二氧化硅至硅基底面，背面进行硅-玻璃阳极键 合； l) 正面光刻胶作掩膜光刻出悬臂梁释放图形，DRIE刻穿氮化硅、二氧化硅、硅基形成 压阻式加速度传感器的悬臂梁结构，去除光刻胶； m) 正面进行非晶硅-玻璃阳极键合； η)划片，实现单个芯片的封装，划片分两次完成：第一次划片，去除金属管脚上方玻 璃；第二次划片划去分片槽中结构，分离单个芯片，完成封装。
9. 如权利要求8所述的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器的制造方法，其特征在于 步骤k)中背面进行硅-玻璃阳极键合的工艺参数为：电压300?500V，电流15?20mA，温 度 300 ?400°C，压力 2000 ?3000N，时间 5 ?lOmin。
10. 如权利要求8所述的MEMS压阻式加速度、压力集成传感器的制造方法，其特征在 于步骤m)中正面进行非晶硅-玻璃阳极键合的工艺参数为：电压450?1000V，电流15?25mA，温度 3〇0 ?400°C，压力 2〇00 ?3〇OON，时间 I5 ?25min。
【文档编号】G01P15/12GK104062464SQ201410264513
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】董健, 蒋恒, 孙笠 申请人:浙江工业大学