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Abstract

本发明公开了一种变间距的电容式加速度传感器及其制备方法，具体是一种基于MEMS微加工技术的变间距的电容式加速度传感器，利用惯性质量块在外加加速度的作用下与检测电极间的间隙发生改变从而引起等效电容的变化来测定加速度。该发明与集成电路工艺兼容，可以集成信号处理电路，有较高的灵敏度，受环境影响小。通过在硅衬底不同部位进行离子注入形成PN结，利用PN结的单向导电性，实现加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿之间的衬底电隔离，防止双向导电，制作工艺简单，可以降低成本，稳定性能好。

Description

一种变间距的电容式加速度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种变间距的电容式加速度传感器及其制备方法，尤其是一种基于MEMS微加工技术的变间距的电容式加速度传感器及其制备方法，属于微电子机械***技术领域。
背景技术
加速度是反应***外界环境和自身情况的重要参数，对环境监测、***自身的状态识别有重要影响，因此快速准确测量出加速度具有重要的实际意义。众所周知，利用机械加工的加速度计虽然也能测量加速度，但这些机械装置因具有移动部件而易磨损，同时具有体积大，价格高，需要经常维护等缺点。基于MEMS(微电子机械***)加工技术的微型惯性传感器具有体积小，价格低，产品一致性好的特点，是近几年来惯性传感器研究的热点。
加速度传感器的类型有压阻式、压电式和电容式等多种，其中，基于电容式加速度传感器的测量已经被证明是一种基于简单且可靠原理的加速度测量方法。电容式加速度传感器具有测量精度高，输出稳定，功耗低，温度漂移小等优点。电容测量基于传感器的一对电容电极的两个表面之间的交叠面积变化。这两个表面之间的电容，即存储电荷的电容量，取决于表面积及其间距。电容测量甚至可在相当低的加速度值的测量范围内使用。如何实现一种可以与集成电路工艺相兼容的加速度传感器是其研究热点之一。
发明内容
目的：为解决现有技术的不足，提供一种基于单晶硅外延封腔工艺的变间距的电容式加速度传感器及其制备方法，器件加工工艺简单，具有与集成电路兼容，在同一块硅衬底上即可实现电隔离，低成本，灵敏度大等特点。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种变间距的电容式加速度传感器，其特征在于：以单晶硅作为衬底，通过单晶硅外延封腔工艺形成密封腔体结构；在密封腔体上部和四周分别注入离子，实现加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿之间的衬底电隔离；通过溅射，光刻、腐蚀及溅射金属工艺，在单晶硅衬底上设置有金属焊盘和引线；通过光刻和ICP硅刻蚀释放整个结构，形成悬浮单晶硅质量块，在传感器做加速或减速运动时，悬浮单晶硅质量块可自由移动。
作为优选方案，所述的变间距的电容式加速度传感器，其特征在于：单晶硅衬底上表面依次生长有氧化硅和氮化硅，在氮化硅和氧化硅表面光刻、腐蚀形成加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿焊盘的接触孔。
作为优选方案，所述的变间距的电容式加速度传感器，其特征在于：所述引线及焊盘的材质均为Al。
作为优选方案，所述的变间距的电容式加速度传感器，其特征在于：在衬底上注入离子，形成N型半导体和P型半导体；通过离子注入工艺，使得加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿的半导体类型与硅衬底类型不同。
作为优选方案，所述的变间距的电容式加速度传感器，其特征在于：若硅衬底为P型半导体，则通过离子注入使得加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿的半导体类型为N型半导体；反之，若硅衬底为N型半导体，则通过离子注入使得加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿的半导体类型为P型半导体。
作为优选方案，所述的变间距的电容式加速度传感器，其特征在于：在硅衬底与加速度传感器敏感电容结构形成的PN结上施加反向偏置电压，从而使得硅衬底、加速度传感器敏感电容结构动齿及定齿三者之间形成衬底电隔离。
作为优选方案，所述的变间距的电容式加速度传感器，其特征在于：所述衬底的材质为P型单晶硅。
上述的变间距的电容式加速度传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1)、采用P型单晶硅作为衬底，通过各向异性反应离子刻蚀工艺在单晶硅衬底上刻蚀1-10μm浅槽；
步骤2)、在对单晶硅衬底浅槽侧壁进行保护的同时，对单晶硅衬底进行各向同性腐蚀，为接下来的外延单晶硅封腔工艺做准备；
步骤3)、外延生长单晶硅，在单晶硅衬底内部形成密封腔体；
步骤4)、通过化学机械抛光工艺使单晶硅衬底表面平滑，为接下来的光刻与离子注入做准备；
步骤5)、分别进行离子注入，使得加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿的半导体类型与硅衬底类型不同；若硅衬底为P型半导体，则通过离子注入使得加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿的半导体类型为N型半导体；反之，若硅衬底为N型半导体，则通过离子注入使得加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿的半导体类型为P型半导体，以实现加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿之间的衬底电隔离；
步骤6)、在单晶硅衬底上表面依次生长氧化硅和氮化硅；
步骤7)、在氮化硅和氧化硅表面光刻、腐蚀，形成加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿的接触孔；
步骤8)、在氮化硅表面溅射金属层Al，并光刻腐蚀形成电连接导线与焊盘；
步骤9)、通过光刻和ICP硅刻蚀释放整个结构，形成加速度传感器敏感电容结构，即得。
所述的变间距的电容式加速度传感器的制备方法，密封腔体的高度为3-7μm，最优选为5μm。
有益效果：本发明提供的变间距的电容式加速度传感器及其制备方法，建立在密封的单晶硅腔体结构之上，器件结构简单，且该密封腔体结构通过单晶硅外延生长工艺形成。相对于通过键合或者表面牺牲层工艺形成的FBAR结构，建立在单晶硅外延封腔工艺上的FBAR结构具有制造工艺简单，器件机械性能良好，稳定性高等特点。并且利用正面溅射和刻蚀工艺就可以完成FBAR器件的加工，工艺步骤简单可靠。整个加工过程不会影响硅片正面已有的CMOS电路，所以变间距的电容式加速度传感器可以采用post-CMOS加工工艺进行加工，从而进一步的实现芯片的单片智能化，也可以降低芯片的尺寸和成本。
附图说明
图1是本发明结构的主视图；
图2是本发明结构的俯视图；
图3是本发明制作的流程示意图；
图中：衬底1、氧化硅2、氮化硅3、N型半导体4、金属Al 5、密封腔体6、导线7、焊盘8、锚区9、定齿10、动齿11、悬臂梁12。
具体实施方式
下面结合实例对本发明做具体说明：
实施例1：
如图1至图3所示，本发明提供的变间距的电容式加速度传感器，通过以下步骤制备：
a、采用P型单晶硅作为衬底1，通过各向异性反应离子刻蚀工艺在单晶硅衬底1上刻蚀1-10μm浅槽；
b、在对单晶硅衬底浅槽侧壁进行保护的同时，对单晶硅衬底1进行各向同性腐蚀，为接下来的外延单晶硅封腔工艺做准备；
c、外延生长单晶硅，在单晶硅衬底内部形成密封腔体，腔体高约5μm；
d、通过化学机械抛光(CMP)工艺使单晶硅衬底表面平滑，为接下来的光刻与离子注入做准备；
e、进行磷离子注入工艺，使得区域4为N型半导体，区域4以外的硅衬底仍为P型半导体，以实现加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿之间的衬底电隔离；
f、在单晶硅衬底1上表面依次生长氧化硅2和氮化硅3；
g、在氮化硅2和氧化硅3表面光刻、腐蚀形成加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿的接触孔；
h、在氮化硅表面溅射金属层Al 5，并光刻腐蚀形成电连接导线7与焊盘8；
i、通过光刻和ICP硅刻蚀释放整个结构，形成加速度传感器敏感电容结构，主要包括锚区9、定齿10、动齿11及悬臂梁12。
根据电容公式动齿11与悬臂梁12相连接，均由锚区9支撑并固定在硅衬底上，当传感器经过加速或减速度运动时，悬臂梁12及其上的动齿11由于惯性与定齿10直接产生相对运动，其导致定齿10与动齿11间的电容交叠面积发生变化，从而使得其电容值发生相应变化。通过检测距定齿10与动齿11间电容值的大小可以推导出传感器所处环境加速度值的大小。
本发明提供的变间距的电容式加速度传感器及其制备方法，器件加工工艺简单，具有与集成电路兼容，在同一块硅衬底上即可实现电隔离，低成本，灵敏度大等特点。采用MEMS微加工技术，通过单晶硅外延密封腔体工艺在硅片内形成空腔，在密封腔体上部和四周分别注入离子，实现加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿之间的衬底电隔离；通过溅射，光刻和腐蚀工艺，在单晶硅衬底上设置有金属焊盘和引线；通过光刻和ICP硅刻蚀释放整个结构，形成悬浮质量块，使其在加速或者减速运动时可以自由移动。
以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种变间距的电容式加速度传感器，其特征在于：以单晶硅作为衬底，通过单晶硅外延封腔工艺形成密封腔体结构；在密封腔体上部和四周分别注入离子，实现加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿之间的衬底电隔离；通过溅射，光刻、腐蚀及溅射金属工艺，在单晶硅衬底上设置有金属焊盘和引线；通过光刻和ICP硅刻蚀释放整个结构，形成悬浮单晶硅质量块，在传感器做加速或减速运动时，悬浮单晶硅质量块可自由移动。
2.根据权利要求1所述的变间距的电容式加速度传感器，其特征在于：单晶硅衬底上表面依次生长有氧化硅和氮化硅，在氮化硅和氧化硅表面光刻、腐蚀形成加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿焊盘的接触孔。
3.根据权利要求1所述的变间距的电容式加速度传感器，其特征在于：所述引线及焊盘的材质均为Al。
4.根据权利要求1所述的变间距的电容式加速度传感器，其特征在于：在衬底上注入离子，形成N型半导体和P型半导体；通过离子注入工艺，使得加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿的半导体类型与硅衬底类型不同。
5.根据权利要求4所述的变间距的电容式加速度传感器，其特征在于：若硅衬底为P型半导体，则通过离子注入使得加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿的半导体类型为N型半导体；
反之，若硅衬底为N型半导体，则通过离子注入使得加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿的半导体类型为P型半导体。
6.根据权利要求4所述的变间距的电容式加速度传感器，其特征在于：在硅衬底与加速度传感器敏感电容结构形成的PN结上施加反向偏置电压，从而使得硅衬底、加速度传感器敏感电容结构动齿及定齿三者之间形成衬底电隔离。
7.根据权利要求1所述的变间距的电容式加速度传感器，其特征在于：所述衬底的材质为P型单晶硅。
8.根据权利要求1-7 任一项所述的变间距的电容式加速度传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1）、采用P型单晶硅作为衬底，通过各向异性反应离子刻蚀工艺在单晶硅衬底上刻蚀1-10μm浅槽；
步骤2）、在对单晶硅衬底浅槽侧壁进行保护的同时，对单晶硅衬底进行各向同性腐蚀，为接下来的外延单晶硅封腔工艺做准备；
步骤3）、外延生长单晶硅，在单晶硅衬底内部形成密封腔体；
步骤4）、通过化学机械抛光工艺使单晶硅衬底表面平滑，为接下来的光刻与离子注入做准备；
步骤5）、分别进行离子注入，使得加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿的半导体类型与硅衬底类型不同；若硅衬底为P型半导体，则通过离子注入使得加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿的半导体类型为N型半导体；反之，若硅衬底为N型半导体，则通过离子注入使得加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿的半导体类型为P型半导体，以实现加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿之间的衬底电隔离；
步骤6）、在单晶硅衬底上表面依次生长氧化硅和氮化硅；
步骤7）、在氮化硅和氧化硅表面光刻、腐蚀，形成加速度传感器敏感电容结构动齿与定齿的接触孔；
步骤8）、在氮化硅表面溅射金属层Al，并光刻腐蚀形成电连接导线与焊盘；
步骤9）、通过光刻和ICP硅刻蚀释放整个结构，形成加速度传感器敏感电容结构，即得。
9.根据权利要求8所述的变间距的电容式加速度传感器的制备方法，其特征在于：密封腔体的高度为3-7μm。
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