一種mems壓阻式加速度傳感器及其制造方法
【專利摘要】一種MEMS壓阻式加速度傳感器及其制造方法。本發(fā)明提供了一種基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度傳感器，所述的傳感器具有第一鍵合玻璃-硅基-第二鍵合玻璃三明治結(jié)構(gòu)；所述硅基通過(guò)采用表面微加工技術(shù)與體微加工技術(shù)制造帶有淡硼擴(kuò)散壓阻的懸臂梁作為壓阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)，并且利用二次陽(yáng)極鍵合技術(shù)進(jìn)行圓片級(jí)封裝，第一次陽(yáng)極鍵合采用硅-玻璃陽(yáng)極鍵合，第二次陽(yáng)極鍵合利用非晶硅-玻璃陽(yáng)極鍵合技術(shù)的封裝解決了傳統(tǒng)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合過(guò)程中容易擊穿硅表面PN結(jié)和產(chǎn)生離子污染等缺點(diǎn)；本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)新穎、重量輕、體積小、穩(wěn)定性好、抗污染能力強(qiáng)、可靠性好，在航空航天、軍事、汽車、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】一種MEMS壓阻式加速度傳感器及其制造方法 (一）
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及MEMS (微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器領(lǐng)域中的加速度傳感器及其制造方法，具 體涉及一種基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度傳感器及其制造方法。 (二）
【背景技術(shù)】
[0002] MEMS加速度傳感器由于體積小、質(zhì)量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、環(huán) 境監(jiān)測(cè)、軍事、汽車等領(lǐng)域備受關(guān)注，尤其對(duì)器件體積、質(zhì)量及可靠性有很高要求的航空航 天及兵器科學(xué)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。MEMS壓阻式加速度傳感器體積小，頻率范圍寬，測(cè) 量加速度的范圍也寬，直接輸出電壓信號(hào)，相比電容式加速度傳感器，不需要復(fù)雜的電路接 口，大批量生產(chǎn)時(shí)價(jià)格低廉，可重復(fù)生產(chǎn)性好，可直接測(cè)量連續(xù)的加速度和穩(wěn)態(tài)加速度。然 而，應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜和惡劣導(dǎo)致MEMS加速度傳感器的可靠性逐漸成為器件設(shè)計(jì)時(shí)主要考 慮的問題之一，傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性對(duì)于器件應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常重要。基于此，有必要發(fā) 明一種MEMS壓阻式加速度傳感器芯片，以保證加速度傳感器在應(yīng)用時(shí)的穩(wěn)定性與可靠性。 (三）
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種基于陽(yáng)極鍵合封裝技術(shù)、表面微加工、體微加工工藝的 MEMS壓阻式加速度傳感器芯片，以保證加速度傳感器在應(yīng)用時(shí)的可靠性。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0005] -種基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度傳感器，所述的傳感器具有第一鍵 合玻璃-硅基-第二鍵合玻璃三明治結(jié)構(gòu)；所述的硅基內(nèi)部形成有壓阻式加速度傳感器懸 臂梁，硅基的正面形成有壓阻式加速度傳感器的壓阻區(qū)域，所述壓阻式加速度傳感器的壓 阻區(qū)域位于壓阻式加速度傳感器懸臂梁的上表面根部，并且注入有淡硼形成4根淡硼擴(kuò)散 壓阻，同時(shí)淡硼擴(kuò)散壓阻的內(nèi)部注入有濃硼形成濃硼歐姆接觸區(qū)，所述壓阻式加速度傳感 器壓阻區(qū)域的上方沉積有二氧化硅層，二氧化硅層上方沉積有第一氮化硅層，所述的二氧 化硅層和第一氮化硅層一起作為絕緣鈍化層，所述的絕緣鈍化層開有引線孔，利用金屬導(dǎo) 線連通壓阻區(qū)域，并且壓阻式加速度傳感器壓阻區(qū)域的4根淡硼擴(kuò)散壓阻通過(guò)金屬導(dǎo)線構(gòu) 成惠斯頓全橋連接，所述金屬導(dǎo)線的上方沉積有第二氮化硅層，所述第二氮化硅層的上方 沉積有非晶硅，并且，利用非晶硅作為臺(tái)階，所述的非晶硅與第一鍵合玻璃鍵合后形成一個(gè) 真空腔體，所述硅基的正面還形成有濃硼導(dǎo)線，所述濃硼導(dǎo)線的上方連接有金屬管腳，濃硼 導(dǎo)線將傳感器工作區(qū)與金屬管腳連通，所述硅基的背面與第二鍵合玻璃陽(yáng)極鍵合。
[0006] 本發(fā)明MEMS壓阻式加速度傳感器，優(yōu)選所述的硅基為η型（100)硅片；優(yōu)選所述 第二氮化硅層的上方沉積的非晶硅的厚度為2?4 μ m。
[0007] 本發(fā)明MEMS壓阻式加速度傳感器的工作原理如下：本發(fā)明MEMS壓阻式加速度傳 感器主要基于硼摻雜后單晶硅的壓阻特性，壓阻式加速度傳感器懸臂梁上的淡硼擴(kuò)散壓阻 受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過(guò)惠斯頓全橋可以得到正比于力變化的電信號(hào)輸出， 通過(guò)測(cè)量電信號(hào)輸出就能知道所測(cè)物理量的大小。本發(fā)明中我們向N型（100)晶向硅片注 入硼來(lái)實(shí)現(xiàn)P型壓阻，利用PN結(jié)實(shí)現(xiàn)壓阻的隔絕，由于壓阻的壓阻系數(shù)的各向異性，不同方 向的應(yīng)力對(duì)壓阻有不同的影響，為了盡可能增加靈敏度，本發(fā)明所述的MEMS壓阻式加速度 傳感器壓阻區(qū)域的淡硼擴(kuò)散壓阻的排布方式為：縱向沿硅基的（1，1，〇)晶向方向、橫向沿 硅基的（1，_1，〇)晶向方向分布，縱向壓阻系數(shù)、橫向壓阻系數(shù)分別為71. 8,-66. 3。
[0008] 本發(fā)明所述的MEMS壓阻式加速度傳感器為雙懸臂梁設(shè)計(jì)，所述壓阻式加速度傳 感器壓阻區(qū)域的淡硼擴(kuò)散壓阻為4組，每組由兩個(gè)平行的淡硼擴(kuò)散壓阻組成，其中兩組對(duì) 橋臂淡硼擴(kuò)散壓阻對(duì)稱分布在懸臂梁上表面根部的應(yīng)力集中區(qū)域，另外兩組淡硼擴(kuò)散壓阻 對(duì)稱分布在零應(yīng)力區(qū)。當(dāng)然，根據(jù)不同的靈敏度需要也可以采用不同的懸臂梁結(jié)構(gòu)，如單邊 單梁、雙邊雙梁、雙邊四梁、四邊四梁、四邊八梁等。并且，所述的淡硼擴(kuò)散壓阻也可以采用 不同的分布方式，4組淡硼擴(kuò)散壓阻（可以是4根，也可以8根對(duì)折型等）通過(guò)金屬導(dǎo)線連 接構(gòu)成惠斯頓全橋，本發(fā)明壓阻式加速度傳感器金屬管腳的一種連接方式為：第一管腳接 壓阻式加速度傳感器輸出負(fù)，第二管腳接地，第三管腳接壓阻式加速度傳感器輸出正，第四 管腳接電源正極。
[0009] 本發(fā)明還提供了一種所述的MEMS壓阻式加速度傳感器的制造方法，所述的制造 方法按如下步驟進(jìn)行：
[0010] a)取硅片作為硅基，雙面拋光，清洗，正面熱氧長(zhǎng)一層二氧化硅保護(hù)層，正面光刻 膠作掩膜光刻出壓阻式加速度傳感器的壓阻區(qū)域，然后在壓阻區(qū)域注入淡硼，形成淡硼擴(kuò) 散壓阻，去除光刻膠；
[0011] b)正面光刻膠作掩膜光刻出濃硼導(dǎo)線區(qū)域，并在淡硼擴(kuò)散壓阻區(qū)域光刻出濃硼歐 姆接觸區(qū)，然后注入濃硼，形成硅基內(nèi)部的濃硼導(dǎo)線，并在淡硼擴(kuò)散壓阻內(nèi)部形成濃硼歐姆 接觸區(qū)，去除光刻膠，退火；
[0012] c)先雙面沉積二氧化硅層，再雙面沉積氮化硅層，正面的二氧化硅層和氮化硅層 一起作為絕緣鈍化層；
[0013] d)正面光刻膠作掩膜光刻出引線孔，干法反應(yīng)離子刻蝕（RIE)刻蝕絕緣鈍化層至 硅基頂面，去除光刻膠，形成引線孔；
[0014] e)正面沉積金屬導(dǎo)線層，正面光刻膠作掩膜光刻出金屬導(dǎo)線及管腳圖形，腐蝕沒 有光刻膠覆蓋區(qū)域的金屬，去除光刻膠，合金化處理，形成金屬導(dǎo)線及金屬管腳；
[0015] f)正面沉積一層氮化硅覆蓋金屬導(dǎo)線，隔絕外界與電路，保護(hù)芯片電學(xué)性能；
[0016] g)正面光刻膠作掩膜光刻出分片槽圖形，干法RIE刻蝕氮化硅層、二氧化硅層至 硅基頂面，去除光刻膠；
[0017] h)正面沉積一層非晶硅，在分片槽區(qū)域非晶硅與硅基頂面直接接觸；
[0018] i)正面光刻膠作掩膜光刻出傳感器工作區(qū)域以及金屬管腳區(qū)域圖形，RIE刻蝕非 晶硅至氮化硅層，去除光刻膠；
[0019] j)正面光刻膠作掩膜光刻出金屬管腳區(qū)域圖形，RIE刻蝕氮化硅至金屬管腳層， 去除光刻膠；
[0020] k)背面光刻膠作掩膜光刻出腐蝕硅窗口，RIE刻蝕氮化硅、二氧化硅至硅基底面， 去除光刻膠；
[0021] 1)氮化硅、二氧化硅層作掩膜濕法腐蝕硅基形成壓阻式加速度傳感器背腔；
[0022] m)干法RIE刻蝕背面剩余的氮化硅、二氧化硅至硅基底面，背面進(jìn)行硅-玻璃陽(yáng)極 鍵合；
[0023] η)正面光刻膠作掩膜光刻出懸臂梁釋放圖形，深度反應(yīng)離子刻蝕（DRIE)刻穿氮 化硅、二氧化硅、硅基形成壓阻式加速度傳感器懸臂梁結(jié)構(gòu)，去除光刻膠；
[0024] 〇)正面進(jìn)行非晶硅-玻璃陽(yáng)極鍵合；
[0025] p)劃片，實(shí)現(xiàn)單個(gè)芯片的封裝，劃片分兩次完成：第一次劃片，去除金屬管腳上方 玻璃；第二次劃片劃去分片槽中結(jié)構(gòu)，分離單個(gè)芯片，完成封裝。
[0026] 本發(fā)明所述的MEMS壓阻式加速度傳感器的制造方法，步驟m)中，背面進(jìn)行硅-玻 璃陽(yáng)極鍵合的工藝參數(shù)為：電壓300?500V，電流15?20mA，溫度300?400°C，壓力 2000 ?3000N，時(shí)間 5 ?lOmin。
[0027] 本發(fā)明所述的MEMS壓阻式加速度傳感器的制造方法，步驟〇)中，推薦正面進(jìn)行非 晶硅-玻璃陽(yáng)極鍵合的工藝參數(shù)為：電壓450?1000V，電流15?25mA，溫度300?400°C， 壓力2〇00?3〇OON，時(shí)間I5?25min。
[0028] 本發(fā)明所述的陽(yáng)極鍵合技術(shù)是一種現(xiàn)有技術(shù)，該技術(shù)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知 的，其工作原理為：將直流電源正極接硅片，負(fù)極接玻璃片，由于玻璃在一定高溫下的性 能類似于電解質(zhì)，而硅片在溫度升高到300°C?400°C時(shí)，電阻率將因本征激發(fā)而降至 0. 1Ω ·πι，此時(shí)玻璃中的導(dǎo)電粒子（如Na+)在外電場(chǎng)作用下漂移到負(fù)電極的玻璃表面，而 在緊鄰硅片的玻璃表面留下負(fù)電荷，由于Na+的漂移使電路中產(chǎn)生電流流動(dòng)，緊鄰硅片的玻 璃表面會(huì)形成一層極薄的寬度約為幾微米的空間電荷區(qū)（或稱耗盡層）。由于耗盡層帶負(fù) 電荷，硅片帶正電荷，所以硅片與玻璃之間存在著較大的靜電吸引力，使兩者緊密接觸，并 在鍵合面發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，形成牢固結(jié)合的Si-Ο共價(jià)鍵，將硅與玻璃界面牢固地連接在 一起。
[0029] 根據(jù)所述的原理，陽(yáng)極鍵合技術(shù)并不適合在注入硼的η型硅與玻璃的鍵合中使 用，原因在于：注入硼的η型硅實(shí)質(zhì)上是個(gè)ΡΝ結(jié)，在陽(yáng)極鍵合過(guò)程中強(qiáng)電壓在通過(guò)硅基的同 時(shí)壓輕而易舉就能將其反向擊穿，導(dǎo)致其漏電，破壞器件的電學(xué)性能。在硅-玻璃鍵合面附 近存在ΡΝ結(jié)或其他對(duì)高壓比較敏感的電路結(jié)構(gòu)時(shí)，鍵合過(guò)程中500?1500V的高壓容易擊 穿MEMS器件中尤其是鍵合區(qū)域附近的電路，影響器件的性能。針對(duì)上述現(xiàn)有的陽(yáng)極鍵合技 術(shù)中存在的問題，本發(fā)明第二次鍵合工藝?yán)梅蔷Ч枳鳛楣杌?、玻璃之間的導(dǎo)通層，使鍵合 電流盡可能的沿硅-非晶硅-玻璃方向通過(guò)，使所述PN結(jié)避開強(qiáng)電場(chǎng)，最終實(shí)現(xiàn)上層非晶 硅與玻璃的陽(yáng)極鍵合，實(shí)驗(yàn)證明，這種非晶硅-玻璃陽(yáng)極鍵合依舊能保證接近硅-玻璃的鍵 合強(qiáng)度和氣密性。
[0030] 所述基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度傳感器的封裝需要經(jīng)過(guò)兩次陽(yáng)極鍵 合，第一次鍵合是背面硅-玻璃陽(yáng)極鍵合，相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)，第二次鍵合是正面非晶硅與 玻璃的陽(yáng)極鍵合，相對(duì)比較困難，可以適當(dāng)加強(qiáng)鍵合電壓，增加鍵合時(shí)間。本發(fā)明中，利用非 晶硅與玻璃鍵合還有一個(gè)非常大的優(yōu)點(diǎn)，所述鍵合方法避免了玻璃與硅的直接接觸，杜絕 了本來(lái)玻璃與硅鍵合表面可能會(huì)產(chǎn)生的Na+等離子的污染。
[0031] 本發(fā)明MEMS壓阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)中，正面非晶硅-玻璃鍵合過(guò)程中，利用非 晶硅作為臺(tái)階形成加速度傳感器真空腔體，這種設(shè)計(jì)使上玻璃板不需要進(jìn)行開槽加工直接 就能進(jìn)行鍵合，節(jié)約了鍵合成本。本發(fā)明MEMS壓阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)中，上真空腔體的 厚度直接取決于非晶硅沉積的厚度，由于非晶硅沉積得過(guò)厚其致密度、粘附性都會(huì)受到影 響，并且會(huì)加大下步光刻的難度，所以為了避免在鍵合過(guò)程中玻璃與氮化硅直接鍵合，同時(shí) 保證非晶硅良好的性能，本發(fā)明傳感器中的非晶硅厚度可以取2?4μ m。
[0032] 本發(fā)明是利用陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度傳感器，該傳感器具有第一鍵 合玻璃-硅基-第二鍵合玻璃三明治結(jié)構(gòu)，推薦用η型（100)硅片作硅基，采用表面微加工 技術(shù)與體微加工技術(shù)制造帶有淡硼擴(kuò)散壓阻的懸臂梁作為加速度傳感器結(jié)構(gòu)，并且利用二 次陽(yáng)極鍵合技術(shù)進(jìn)行圓片級(jí)封裝，第一次陽(yáng)極鍵合采用硅-玻璃陽(yáng)極鍵合，第二次陽(yáng)極鍵 合利用非晶硅層作為中間層使鍵合電流不通過(guò)ΡΝ結(jié)，保護(hù)傳感器ΡΝ結(jié)，實(shí)現(xiàn)非晶硅-玻璃 陽(yáng)極鍵合。利用非晶硅-玻璃陽(yáng)極鍵合技術(shù)的封裝解決了傳統(tǒng)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合過(guò)程中容 易擊穿硅表面ΡΝ結(jié)和產(chǎn)生離子污染等缺點(diǎn)。本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)新穎、重量輕、體積小、穩(wěn)定 性好、抗污染能力強(qiáng)、可靠性好。本發(fā)明傳感器在航空航天、軍事、汽車、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具 有一定的應(yīng)用前景。 (四）【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0033] 圖1為本發(fā)明MEMS壓阻式加速度傳感器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖2為本發(fā)明MEMS壓阻式加速度傳感器的俯視圖；
[0035] 圖3?圖18為本發(fā)明MEMS壓阻式加速度傳感器的制造工藝流程剖面示意圖：
[0036] 圖3為形成壓阻式加速度傳感器壓阻區(qū)域的淡硼擴(kuò)散壓阻的示意圖；
[0037] 圖4為形成濃硼歐姆接觸區(qū)和濃硼內(nèi)部導(dǎo)線的示意圖；
[0038] 圖5為雙面沉積二氧化硅、氮化硅絕緣鈍化層的示意圖；
[0039] 圖6為在絕緣鈍化層上形成引線孔的示意圖；
[0040] 圖7為形成金屬導(dǎo)線和金屬管腳的示意圖；
[0041] 圖8為沉積氮化硅層，隔絕外界與電路的示意圖；
[0042] 圖9為刻蝕出分片槽區(qū)域的示意圖；
[0043] 圖10為正面沉積非晶硅的示意圖；
[0044] 圖11為刻蝕非晶硅，形成傳感器工作區(qū)域以及金屬管腳區(qū)域的示意圖；
[0045] 圖12為刻蝕出金屬管腳的示意圖；
[0046] 圖13為背面形成腐蝕硅窗口的示意圖；
[0047] 圖14為形成壓阻式加速度傳感器背腔的示意圖；
[0048] 圖15為背面進(jìn)行硅-玻璃陽(yáng)極鍵合的示意圖；
[0049] 圖16為形成壓阻式加速度傳感器懸臂梁結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0050] 圖17為正面進(jìn)行非晶硅-玻璃陽(yáng)極鍵合的示意圖；
[0051] 圖18為劃片完成封裝的示意圖。
[0052] 圖1?圖18中：1 一正面二氧化硅層、Γ 一背面二氧化硅層、2 -正面第一氮化硅 層、2' 一背面氮化娃層、3 -正面第二氮化娃層、4 一金屬導(dǎo)線、5 -第一鍵合玻璃、6 -非晶 娃、7 -濃硼導(dǎo)線、8 -金屬管腳、9 一娃基、10 -第二鍵合玻璃、11 一真空腔體、12 -壓阻 式加速度傳感器懸臂梁、13 -淡硼擴(kuò)散壓阻內(nèi)部的濃硼歐姆接觸區(qū)、14 一淡硼擴(kuò)散壓阻、 15 -分片槽，并且，圖2中8a?8d依次表不第一?第四管腳；
[0053] 圖19為本發(fā)明MEMS壓阻式加速度傳感器的管腳定義；
[0054] 圖19中管腳定義：①一第一管腳接壓阻式加速度傳感器輸出負(fù)、②一第二管腳接 地、③一第三管腳接壓阻式加速度傳感器輸出正、④一第四管腳接電源正極；
[0055] 圖20(a)為本發(fā)明MEMS壓阻式加速度傳感器所使用的單邊雙梁結(jié)構(gòu)及壓阻分布 示意圖；
[0056] 圖20 (b)?20 (f)為本發(fā)明MEMS壓阻式加速度傳感器可采用的其它懸臂梁結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0057] 圖20(b)為單邊單梁示意圖；
[0058] 圖20(c)為雙邊雙梁示意圖；
[0059] 圖20(d)為雙邊四梁示意圖；
[0060] 圖20 (e)為四邊四梁示意圖；
[0061] 圖20(f)為四邊八梁示意圖。 (五）【具體實(shí)施方式】
[0062] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此。
[0063] 如圖1所示，所述基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度傳感器，采用了第一鍵 合玻璃-硅基-第二鍵合玻璃三明治結(jié)構(gòu)，所述的MEMS壓阻式加速度傳感器主要包括：硅 基（9)、用于測(cè)量單軸加速度的壓阻式加速度傳感器懸臂梁（12)、濃硼導(dǎo)線（7)、金屬管腳 (8)、與硅基陽(yáng)極鍵合的第二鍵合玻璃（10)以及與非晶硅（6)進(jìn)行陽(yáng)極鍵合的第一鍵合玻 璃（5)。
[0064] 其中，用于測(cè)量單軸加速度的壓阻式加速度傳感器懸臂梁（12)的上表面根部注 入了淡硼作為壓阻式加速度傳感器的淡硼擴(kuò)散壓阻（14)，并在淡硼擴(kuò)散壓阻內(nèi)部注入濃硼 形成濃硼歐姆接觸區(qū)（13)，壓阻式加速度傳感器的壓阻區(qū)域上方沉積有二氧化硅層（1)與 第一氮化硅層（2)作為絕緣鈍化層，絕緣鈍化層上開有引線孔并利用金屬導(dǎo)線（4)連通壓 阻區(qū)域，金屬導(dǎo)線上方沉積有第二氮化硅層（3)用來(lái)隔離外界與電路，提高電路的可靠性。 壓阻式加速度傳感器的壓阻區(qū)域包含4組淡硼擴(kuò)散壓阻（14)，每組由兩個(gè)平行的淡硼擴(kuò)散 壓阻組成，兩組對(duì)橋臂淡硼擴(kuò)散壓阻對(duì)稱分布在懸臂梁上表面根部的應(yīng)力集中區(qū)域，另外 兩組對(duì)稱分布在零應(yīng)力區(qū)，并通過(guò)金屬導(dǎo)線（4)構(gòu)成惠斯頓全橋連接，當(dāng)存在一個(gè)垂直于 器件表面的加速度后，壓阻式加速度懸臂梁彎曲，位于壓阻式加速度傳感器懸臂梁上表面 根部應(yīng)力集中區(qū)域的2組壓阻受到力的作用，電阻率發(fā)生變化，如圖2所示位于壓阻式加速 度傳感器懸臂梁上表面根部應(yīng)力集中區(qū)域的2組壓阻位于惠斯頓全橋的對(duì)橋，通過(guò)惠斯頓 全橋可以得到正比于力變化的電信號(hào)輸出，通過(guò)測(cè)量電信號(hào)輸出就能知道加速度的大小。 利用惠斯頓全橋的設(shè)計(jì)提高了本發(fā)明MEMS壓阻式加速度傳感器的靈敏度并且能保證良好 的線性。
[0065] 芯片的封裝采用二次陽(yáng)極鍵合技術(shù)。第一次陽(yáng)極鍵合是芯片背面第二鍵合玻璃 (10)與硅基（9)的硅-玻璃陽(yáng)極鍵合；第二次陽(yáng)極鍵合采用非晶硅層作為中間層使鍵合電 流不通過(guò)PN結(jié)，保護(hù)傳感器PN結(jié)，實(shí)現(xiàn)正面非晶硅（6)與第一鍵合玻璃（5)的陽(yáng)極鍵合， 第二次陽(yáng)極鍵合沒有采用硅-玻璃鍵合的原因在于：硅-玻璃陽(yáng)極鍵合的鍵合面上存在著 PN結(jié)，鍵合時(shí)的強(qiáng)電壓容易擊穿PN結(jié)，破壞電路的電學(xué)性能。
[0066] 為了避免非晶硅（6)與第一鍵合玻璃（5)鍵合面的不平整性，保證封裝的氣密性， 所述的加速度傳感器并沒有采用金屬導(dǎo)線連接芯片工作區(qū)與金屬管腳，而是利用濃硼導(dǎo)線 (7)作為內(nèi)部導(dǎo)線將傳感器工作區(qū)與金屬管腳相連。
[0067] 如圖3?圖18所示，本發(fā)明所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度傳感 器的制造工藝包括如下步驟：
[0068] a)如圖3所示：取硅片作為硅基（9)，雙面拋光，清洗，正面熱氧長(zhǎng)一層薄的二氧化 硅作為注入前的保護(hù)層，正面光刻膠作掩膜光刻出壓阻式加速度傳感器的壓阻區(qū)域，然后 進(jìn)行硼離子注入（淡硼），形成壓阻式加速度傳感器的淡硼擴(kuò)散壓阻（14)，去除光刻膠；所 述的娃基為η型（100)娃片；
[0069] b)如圖4所示：正面光刻膠作掩膜光刻出濃硼導(dǎo)線區(qū)域，并在壓阻式加速度傳感 器的淡硼擴(kuò)散壓阻（14)區(qū)域光刻出濃硼歐姆接觸區(qū)域，然后進(jìn)行硼離子注入（濃硼），形 成硅基內(nèi)部的濃硼導(dǎo)線（7)以及形成淡硼擴(kuò)散壓阻內(nèi)部的濃硼歐姆接觸區(qū)（13)，去除光刻 膠，退火；
[0070] c)如圖5所不：米用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD)先雙面沉積0. 8 μ m厚的二氧化 硅層（1)、（Γ )，再用LPCVD雙面沉積0. 2 μ m厚的氮化硅層（2)、（2'），二氧化硅層（1)和 氮化硅層（2) -起作為絕緣鈍化層；
[0071] d)如圖6所示：正面光刻膠作掩膜光刻出引線孔圖形，干法RIE刻蝕絕緣鈍化層 至硅基（9)頂面，去除光刻膠，形成引線孔；
[0072] e)如圖7所示：正面濺射1 μ m厚的鋁，正面光刻膠作掩膜光刻出金屬導(dǎo)線⑷及 金屬管腳（8)圖形，腐蝕沒有光刻膠覆蓋區(qū)域的鋁，去除光刻膠，合金化處理，形成金屬鋁 導(dǎo)線⑷及金屬管腳（8);
[0073] f)如圖8所示：正面采用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積法（PECVD)沉積一層 0. 2 μ m厚的氮化硅（3)覆蓋鋁導(dǎo)線（4)，保護(hù)芯片電學(xué)性能；
[0074] g)如圖9所示：正面光刻膠作掩膜光刻出分片槽圖形，干法RIE刻蝕氮化硅（2)、 (3)，二氧化硅（1)至硅基（9)頂面，去除光刻膠；
[0075] h)如圖10所示：正面沉積一層3 μ m厚的非晶硅（6)，在分片槽區(qū)域非晶硅（6)與 硅基（9)頂面直接接觸；
[0076] i)如圖11所示：正面光刻膠作掩膜光刻出傳感器工作區(qū)域以及金屬管腳⑶區(qū) 域圖形，RIE刻蝕非晶硅（6)至氮化硅層（3)，去除光刻膠；
[0077] j)如圖12所示：正面光刻膠作掩膜光刻出金屬管腳⑶區(qū)域圖形，RIE刻蝕氮化 硅⑶至金屬管腳⑶層，去除光刻膠；
[0078] k)如圖13所示：背面光刻膠作掩膜光刻出腐蝕硅窗口，RIE刻蝕氮化硅（2'）、二 氧化硅（Γ )至硅基（9)底面，去除光刻膠；
[0079] 1)如圖14所示：氮化硅（2'）、二氧化硅（Γ )層作掩膜，40wt% Κ0Η水溶液濕法 腐蝕硅基（9)形成壓阻式加速度傳感器背面腔體；
[0080] m)如圖15所示：干法RIE刻蝕背面剩余的氮化硅（2'）、二氧化硅（Γ )至硅基 (9)底面，背面進(jìn)行硅-玻璃陽(yáng)極鍵合；
[0081] η)如圖16所示：正面光刻膠作掩膜光刻出懸臂梁（12)釋放圖形，DRIE刻穿氮化 硅（2)、（3)，二氧化硅（1)，硅基（9)釋放出壓阻式加速度傳感器懸臂梁結(jié)構(gòu)，去除光刻膠；
[0082] 〇)如圖17所示：正面進(jìn)行非晶硅-玻璃陽(yáng)極鍵合；
[0083] ρ)如圖18所示：劃片，實(shí)現(xiàn)單個(gè)芯片的封裝，劃片分兩次完成：第一次劃片，去除 金屬管腳（8)上方玻璃（5);第二次劃片劃去分片槽中結(jié)構(gòu)，分離單個(gè)芯片，完成封裝。
[0084] 進(jìn)一步地，為了保證兩次陽(yáng)極鍵合的質(zhì)量，通過(guò)多次試驗(yàn)，本發(fā)明給出了所述MEMS 壓阻式加速度傳感器的最優(yōu)鍵合參數(shù)，如表1，2所示。
[0085] 表1第一次陽(yáng)極鍵合（硅-玻璃）參數(shù)
[0086]
【權(quán)利要求】
1. 一種基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度傳感器，其特征在于所述的傳感器具 有第一鍵合玻璃-硅基-第二鍵合玻璃三明治結(jié)構(gòu)；所述的硅基內(nèi)部形成有壓阻式加速度 傳感器懸臂梁，硅基的正面形成有壓阻式加速度傳感器的壓阻區(qū)域，所述壓阻式加速度傳 感器的壓阻區(qū)域位于壓阻式加速度傳感器懸臂梁的上表面根部，并且注入有淡硼形成4根 淡硼擴(kuò)散壓阻，同時(shí)淡硼擴(kuò)散壓阻的內(nèi)部注入有濃硼形成濃硼歐姆接觸區(qū)，所述壓阻式加 速度傳感器壓阻區(qū)域的上方沉積有二氧化硅層，二氧化硅層上方沉積有第一氮化硅層，所 述的二氧化硅層和第一氮化硅層一起作為絕緣鈍化層，所述的絕緣鈍化層開有引線孔，利 用金屬導(dǎo)線連通壓阻區(qū)域，并且壓阻式加速度傳感器壓阻區(qū)域的4根淡硼擴(kuò)散壓阻通過(guò)金 屬導(dǎo)線構(gòu)成惠斯頓全橋連接，所述金屬導(dǎo)線的上方沉積有第二氮化硅層，所述第二氮化硅 層的上方沉積有非晶硅，并且，利用非晶硅作為臺(tái)階，所述的非晶硅與第一鍵合玻璃鍵合后 形成一個(gè)真空腔體；所述硅基的正面還形成有濃硼導(dǎo)線，所述濃硼導(dǎo)線的上方連接有金屬 管腳，濃硼導(dǎo)線將傳感器工作區(qū)與金屬管腳連通，所述硅基的背面與第二鍵合玻璃陽(yáng)極鍵 合。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度傳感器，其特征在于所 述的壓阻式加速度傳感器壓阻區(qū)域的淡硼擴(kuò)散壓阻的排布方式為：縱向沿硅基的（1，1，0) 晶向方向、橫向沿硅基的（1，_1，〇)晶向方向分布，縱向壓阻系數(shù)、橫向壓阻系數(shù)分別為 71. 8λ -66. 3〇
3. 如權(quán)利要求1所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度傳感器，其特征在于 所述的壓阻式加速度傳感器為雙懸臂梁設(shè)計(jì)，壓阻式加速度傳感器壓阻區(qū)域的淡硼擴(kuò)散壓 阻為4組，每組由兩個(gè)平行的淡硼擴(kuò)散壓阻組成，其中兩組對(duì)橋臂淡硼擴(kuò)散壓阻對(duì)稱分布 在懸臂梁上表面根部的應(yīng)力集中區(qū)域，另外兩組淡硼擴(kuò)散壓阻對(duì)稱分布在零應(yīng)力區(qū)。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度傳感器，其特征在于所 述的金屬管腳有4個(gè)，第一管腳接壓阻式加速度傳感器輸出負(fù)，第二管腳接地，第三管腳接 壓阻式加速度傳感器輸出正，第四管腳接電源正極。
5. 如權(quán)利要求1?4所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度傳感器，其特征在 于所述的硅基為η型（100)硅片。
6. 如權(quán)利要求1?4所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度傳感器，其特征在 于所述的第二氮化硅層上方沉積的非晶硅的厚度為2?4 μ m。
7. 如權(quán)利要求1所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度傳感器的制造方法，其 特征在于所述的制造方法按如下步驟進(jìn)行： a) 取硅片作為硅基，雙面拋光，清洗，正面熱氧長(zhǎng)一層二氧化硅保護(hù)層，正面光刻膠作 掩膜光刻出壓阻式加速度傳感器的壓阻區(qū)域，然后在壓阻區(qū)域注入淡硼，形成淡硼擴(kuò)散壓 阻，去除光刻膠； b) 正面光刻膠作掩膜光刻出濃硼導(dǎo)線區(qū)域，并在淡硼擴(kuò)散壓阻區(qū)域光刻出濃硼歐姆接 觸區(qū)，然后注入濃硼，形成硅基內(nèi)部的濃硼導(dǎo)線，并在淡硼擴(kuò)散壓阻內(nèi)部形成濃硼歐姆接觸 區(qū)，去除光刻膠，退火； c) 先雙面沉積二氧化娃層，再雙面沉積氮化娃層，正面的二氧化娃層和氮化娃層一起 作為絕緣鈍化層； d) 正面光刻膠作掩膜光刻出引線孔，干法RIE刻蝕絕緣鈍化層至硅基頂面，去除光刻 膠，形成引線孔； e) 正面沉積金屬導(dǎo)線層，正面光刻膠作掩膜光刻出金屬導(dǎo)線及管腳圖形，腐蝕沒有光 刻膠覆蓋區(qū)域的金屬，去除光刻膠，合金化處理，形成金屬導(dǎo)線及金屬管腳； f) 正面沉積一層氮化硅覆蓋金屬導(dǎo)線，隔絕外界與電路，保護(hù)芯片電學(xué)性能； g) 正面光刻膠作掩膜光刻出分片槽圖形，干法RIE刻蝕氮化硅層、二氧化硅層至硅基 頂面，去除光刻膠； h) 正面沉積一層非晶硅，在分片槽區(qū)域非晶硅與硅基頂面直接接觸； i) 正面光刻膠作掩膜光刻出傳感器工作區(qū)域以及金屬管腳區(qū)域圖形，RIE刻蝕非晶硅 至氮化硅層，去除光刻膠； j) 正面光刻膠作掩膜光刻出金屬管腳區(qū)域圖形，RIE刻蝕氮化硅至金屬管腳層，去除 光刻膠； k) 背面光刻膠作掩膜光刻出腐蝕硅窗口，RIE刻蝕氮化硅、二氧化硅至硅基底面，去除 光刻膠； l) 氮化硅、二氧化硅層作掩膜濕法腐蝕硅基形成壓阻式加速度傳感器背腔； m) 干法RIE刻蝕背面剩余的氮化硅、二氧化硅至硅基底面，背面進(jìn)行硅-玻璃陽(yáng)極鍵 合； η)正面光刻膠作掩膜光刻出懸臂梁釋放圖形，DRIE刻穿氮化硅、二氧化硅、硅基形成 壓阻式加速度傳感器懸臂梁結(jié)構(gòu)，去除光刻膠； 〇)正面進(jìn)行非晶硅-玻璃陽(yáng)極鍵合； Ρ)劃片，實(shí)現(xiàn)單個(gè)芯片的封裝，劃片分兩次完成：第一次劃片，去除金屬管腳上方玻 璃；第二次劃片劃去分片槽中結(jié)構(gòu)，分離單個(gè)芯片，完成封裝。
8. 如權(quán)利要求7所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度傳感器的制造方法，其 特征在于步驟m)中背面進(jìn)行硅-玻璃陽(yáng)極鍵合的工藝參數(shù)為：電壓300?500V，電流15? 20mA，溫度 300 ?400°C，壓力 2000 ?3000N，時(shí)間 5 ?lOmin。
9. 如權(quán)利要求7所述的基于陽(yáng)極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度傳感器的制造方法，其 特征在于步驟〇)中正面進(jìn)行非晶硅-玻璃陽(yáng)極鍵合的工藝參數(shù)為：電壓450?1000V，電 流 I5 ?25mA，溫度 3〇0 ?400°C，壓力 2〇00 ?3〇OON，時(shí)間 I5 ?25min。
【文檔編號(hào)】G01P15/12GK104062462SQ201410263747
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】董健, 蔣恒, 孫笠 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)
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