一种含有自检测功能的面外电容式加速度传感器及其制造方法与流程

本发明涉及半导体制造技术，具体涉及含有自检测功能的面外电容式加速度传感器及其制造方法。

背景技术：

目前电容式加速度传感器有些带有晶圆级自检测功能，以便于器件在封装前实现加速度传感器的晶圆级检测和标定。但目前业界带有自检测功能的电容式加速度传感器一般都是通过采用牺牲层技术的表面微机械加工工艺制作；或者采用键合工艺制作相应结构，而牺牲层技术由于需要采用湿法腐蚀去除牺牲层，释放可动结构，容易引起结构发生粘附失效；键合工艺成本较高，尤其在形成差分电容结构时，需要要求键合工艺要精确对准，从而进一步提高加工难度，降低良率，而硅-玻璃键合与标准CMOS工艺不兼容，不利于产品量产。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种含有自检测功能的面外电容式加速度传感器及其制造方法以解决上述技术问题。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：

一种含有自检测功能的面外电容式加速度传感器，基于预制空腔SOI晶圆，所述的预制空腔SOI晶圆依次设置有衬底、绝缘层、器件层，以及位于所述衬底的空腔，所述器件层下表面的预定位置设有电极下错位槽，所述器件层上表面的预定位置设有电极上错位槽，在所述电极上错位槽和所述电极下错位槽处设有通过刻穿所述器件层、所述绝缘层形成的释放槽，通过所述释放槽释放加速度传感器的可动结构，且所述释放槽与所述部分电极下错位槽重合，所述释放槽与所述部分电极上错位槽重合。

优选地，所述预制空腔SOI晶圆的衬底和器件层采用100晶向的N型硅半导体材料，所述绝缘层材料采用二氧化硅材料。

优选地，还设有贯穿所述器件层、所述绝缘层的隔离槽以及导电孔，所述隔离槽以及所述导电孔具有绝缘侧壁，并填充材料，所述器件层上设有一层掩膜层，所述掩膜层设有电接触孔，所述电接触孔设有电极。

优选地，所述释放槽与所述隔离槽具有部分重合。

优选地，所述掩膜层上还设有一层钝化层，所述钝化层设有一质量块。

优选地，所述预制空腔SOI晶圆上还设置有一保护盖。

本发明还提供一种含有自检测功能的面外电容式加速度传感器制造方法，基于预制空腔SOI晶圆，所述的预制空腔SOI晶圆依次设置有衬底、绝缘层、器件层，以及位于所述衬底的空腔，所述器件层下表面的预定位置设有电极下错位槽，包括以下步骤：

在所述器件层生长第一层掩模层，图形化并刻蚀透所述掩模层、所述器件层和所述绝缘层形成隔离槽和导电孔；

在所述隔离槽的侧壁、所述导电孔的侧壁制作一层绝缘壁，并用材料填充所述隔离槽和所述导电孔；

在所述器件层上表面预定位置图形化、刻蚀，形成所述电极上错位槽；

去除第一层掩膜层并重新生产第二层掩膜层，图形化、刻蚀掩膜层，形成电接触孔；

图形化、沉积金属，在所述电接触孔沉积金属电极；

图形化、刻蚀所述掩膜层、所述器件层及所述绝缘层，形成释放槽，释放加速度传感器的可动结构。

优选地，还包括如下步骤：

沉积金属电极后，在所述掩膜层上沉积一层钝化层；

在所述钝化层上形成一质量块；

图形化、刻蚀所述部分钝化层，开打线孔以暴露所述金属电极。

优选地，所述释放槽与所述隔离槽具有部分重合；所述释放槽与所述部分电极下错位槽重合；所述释放槽与所述部分电极上错位槽具有部分重合。

优选地，所述预制空腔SOI晶圆的衬底和器件层采用100晶向的N型硅半导体材料，所述绝缘层材料采用二氧化硅材料。

优选地，还包括如下步骤：

在所述预制空腔SOI晶圆上键合一保护盖。

与现有技术相比，本发明的面外电容式加速度传感器基于预制空腔SOI晶圆制造，避免采用键合工艺或者牺牲层技术制作加速度传感器结构，刻蚀及可动结构释放都采用干法刻蚀工艺，整个制作工艺流程完全与标准CMOS工艺兼容；其检测差分电容及自检测驱动电容的极板面积由器件层厚度和刻蚀深度决定，一致性好。采用叉指电容实现自检测驱动和面外加速度的检测，加速度传感器的灵敏度大，可灵活设计自检测驱动力和加速度传感器灵敏度大小；利用在自检测电极与可动电极间施加电压模拟加速度输入引起的加速度传感器质量块的运动，从而引起检测电容变化，实现加速度传感器的晶圆级标定和自检测；预制空腔SOI晶圆衬底上做有接地电极，减小噪声信号对器件性能的影响。

下面结合附图对该发明进行具体叙述。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的结构示意图。

图2为本发明较佳实施例的制造方法的流程图。

图3A-3K为本发明较佳实施例的制造方法的工艺流程示意图。

图4-图7为本发明较佳实施例的原理示意图。

具体实施方式

附图1是本发明较佳实施例的一种含有自检测功能的面外电容式加速度传感器的结构示意图，图2为本发明较佳实施例的制造方法的流程图，图3A-3K为本发明较佳实施例的制造方法的工艺流程示意图。

如图1、2、3A-3K所示，一种含有自检测功能的面外电容式加速度传感器及其制造方法：

参看图3Aa-3Ab，预制空腔SOI晶圆1结构示意图，3Aa为横截面示意图，3Ab为俯视示意图，本发明实施例基于预制空腔SOI晶圆1，依次设置有衬底101、绝缘层102和器件层103，以及位于衬底101的空腔104，器件层103下表面预留有电极的下错位槽105。优选地，衬底101和器件层103采用100晶向的N型硅半导体材料，绝缘层材料采用二氧化硅。

步骤201，参看图2，同时参看图3Ba-3Bb，3Ba为横截面示意图，3Bb为俯视示意图。在器件层103上生长掩模层106，图形化、并刻蚀透掩模层106、器件层103和绝缘层102，形成隔离槽108、导电孔107。

步骤202，同时参看图3C，3C为横截面示意图。对刻蚀开的隔离槽108和导电孔107进行侧壁电绝缘处理，形成一层绝缘壁109。制作绝缘壁109的方法，可以采用低压化学气象淀积低应力的氮化硅材料，并去除晶圆表面和隔离槽108和导电孔107底部的氮化硅材料，只在隔离槽108侧壁、和导电孔107侧壁保留氮化硅材料，最终形成一层绝缘壁109。也可以采用其他材料如热氧化硅材料，或者热氧化硅和氮化硅双层材料等。

步骤203，同时参看图3D，3D为横截面示意图。用材料110回填隔离槽108和导电孔107，回填的材料110可以采用低压化学气象淀积低应力的多晶硅材料，并去除掩模层106上的多晶硅材料，只保留在隔离槽108内和导电孔107孔内的多晶硅。

步骤204，同时参看图3Ea-3Eb，3Ea为横截面示意图，3Eb为俯视示意图。图形化、刻蚀，在器件层103上表面预定位置形成电极上错位槽111。

步骤205，同时参看图3Fa-3Fb，3Fa为横截面示意图，3Fb为俯视示意图。去除掩模层106，并重新生长一层新掩模层106，图形化、刻蚀掩膜层，形成电接触孔117。

步骤206，同时参看图3Ga-3Gb，3Ga为横截面示意图，3Gb为俯视示意图。淀积金属并图形化，形成金属电极112。在电接触孔117上沉积金属，并图形化，形成金属电极112。优选的，形成金属电极112后，可以沉积一层钝化层113(参见图3H)。进一步，为了增加加速度传感器的灵敏度，在沉积钝化层113后可以在钝化层113上形成一附加质量块114(参见图3Ia-3Ib)，图形化、刻蚀部分钝化层113，开打线孔以露出部分金属电极112。钝化层113的材料可以是氮化硅材料，质量块114可以通过电镀铜工艺形成。

步骤207，同时参看图3Ja-3Jb，3Ja为横截面示意图，3Jb为俯视示意图。图形化、刻蚀刻穿钝化层113、掩膜层106、器件层103及绝缘层102，形成释放槽115，释放可动结构。释放槽115与隔离槽108具有部分重合，以保证电极之间的电绝缘，释放槽115与部分电极下错位槽105重合，释放槽115与部分电极上错位槽111重合，形成差分电容检测电极及自检测驱动电极。

步骤208，同时参看图3K，3K为横截面示意图。键合保护盖116，保护可动结构。保护盖116的键合可以采用金属共晶键合，例如铝锗共晶键合技术，也可以使用有机键合材料，例如苯并环丁烯。

本发明较佳实施例的原理：

图4-图7为本发明较佳实施例的原理示意图，参见图4-图7：其中301为第一自检测固定电极，302为第二自检测固定电极，303为第一检测固定电极，304为第二检测固定电极，305为衬底接地电极，306为可动电极，307为扭转梁；401为可动电极叉指，402为第一固定电极叉指，403为第二固定电极叉指。其工作原理为：当有面外加速输入时，由于惯性力矩的作用，会引起质量块绕扭转梁307转动，从而引起可动叉指401与第一固定叉指402、第二固定叉指403形成的两个电容差分变化(其变化原理图如图5、图6所示，图5为面外加速度输入前可动叉指401与第一固定叉指402、第二固定叉指403的相对位置示意图，图6为面外加速度输入后可动叉指401与第一固定叉指402、第二固定叉指403的相对位置示意图)，实现对面外加速度的检测；其自检测原理是通过在第一自检测固定电极301(或第二自检测固定电极302)与可动电极306之间施加电压，由于静电力矩作用，引起质量块产生绕扭转梁307的转动，从而引起第一检测固定电极303、第二检测固定电极304与可动电极306之间形成的两个电容产生差分变化，以模拟面外加速度输入的情况，从而实现晶圆级自检测和标定。通过在衬底上的接地电极305，可以减小噪声信号对器件性能的影响，其减小噪声信号对器件性能影响的等效电路原理示意图如图7所示。

当然，此发明还可以有其他变换，并不局限于上述实施方式，本领域技术人员所具备的知识，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化，这样的变化均应落在本发明的保护范围内。