技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一 种惯性微机电传感器及其制 造方法。

背景技术

MEMS(Microelectromechanical System, 机电系统）技术是指对 米 /纳 米（ micro/nanotechnology )材料进行设计、 加工、 制造、 测量和控制的技术。 MEMS 是由机械构件、 光学系统、 驱动部件、 电控系统集成为一个整体单元 的微型系统。 MEMS 通常应用在位置传感器、 旋转装置或者惯性传感器中， 例如加速度传感器、 陀螺仪和声音传感器。

现有的一种传统的惯性微机电传感器通常包括 主体和一个或多个惯性质 量块， 所述惯性质量块相对于主体为悬置的分立结构 ， 惯性质量块可以由悬臂 支撑而成悬置。 而惯性质量块、主体及惯性质量块和主体之间 的气体层构成电 容。 所述惯性质量块和主体可以相对移动， 当惯性质量块和主体相对移动， 例 如上下移动或者左右移动， 则所述电容的电容值将发生变化，从而通过连 续测 量所述电容值可以获得所述惯性质量块和主体 相对左右运动或者上下移动的 速度或加速度。上述通过测量电容值来测量所 述惯性质量块和主体之间相对运 动的惯性微机电传感器也叫做电容式惯性微机 电传感器。 导体村底作为电容式惯性微机传感器的主体， 在半导体村底上形成悬置的惯性 此在传统技术中， 电容式惯性微机电传感器和 CMOS 接口电路（Read-out integrated circuit, ROIC )通常采用相同制造工艺形成。 通常电容式惯性微机 电传感器和 CMOS接口电路在同一半导体村底上形成， 也就是将电容式惯性 微机电传感器嵌入 CMOS 接口 电路中 。 例如在美国专利文献 "US2010116057A1" 中公开了一种惯性传感器。 然而， 随着工艺尺寸的减小， 膜层的厚度也越来越薄， 因此在具有 CMOS 量块是由一个整体的导电材料形成的，所述导 电材料要求导电性好、性质稳定、 密度较大， 例如较常用的是错硅材料，但是上述性质的导 电材料价格都非常昂 贵。 而且， 对于电容式惯性微机电传感器来说， 惯性质量块的重量越大则惯性 越大， 惯性微机电传感器的精确度越高； 而为了使惯性质量块的惯性更大就需 要使用非常多的所述导电材料， 这样就造成惯性微机电传感器的成本非常高。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种惯性微机电 传感器，可以有效地提高惯 性质量块的重量， 提高惯性微机电传感器的精确度， 并降低制造成本。

为了解决上述问题， 本发明提供了一种惯性微机电传感器及其制造 方法， 该惯性 机电传感器， 能够相对移动的主体和质量块， 所述主体包括具有第一 表面的第一主体和垂直并连接所述第一表面的 第二主体，所述第一主体内具有 平行于所述第一表面的第一电极，所述第二主 体内具有垂直于所述第一表面的 第二电极； 所述质量块悬置在所述第二主体和第一主体形 成的空间内， 所述质 量块包括平行且相对于所述第一表面的第三电 极、垂直于所述第一表面的第四 电极和质量层， 所述第三电极和第四电极相连并构成 U型凹槽， 所述质量层 填充于所述 U型 槽内，

优选的， 所述第一主体还包括位于所述第一电极下方的 半导体材料层， 所 述半导体材料层内具有 MOS器件。

优选的， 所述第一电极的材料为： 铝、 钛、 铜、 钴、 镍、 钽、 铂、 银和金 的其中一种或其任意组合。

优选的， 所述第二主体的材料为： 氧化硅、 氮化硅、 碳化硅、 氮氧化硅和 碳氮氧化硅的其中一种或其任意组合。

优选的， 所述第二电极的材料为： 铝、 钛、 铜、 钨和钽的其中一种或其任 意组合。

优选的， 所述第三电极和第四电极的材料为： 铝、 钛、 铜、 钴、 镍、 钽、 铂、 银和金的其中一种或其任意组合。

优选的， 所述质量层的材料为： 钨、 错硅、 锗、 铝、 氧化物和氮化硅的其 中一种或其任意组合。 相应的， 本发明还提供了一种惯性微机电传感器的制造 方法， 包括步骤： 提供主体， 所述主体包括相互垂直连接的第一主体和第二 主体， 第一主体 具有第一表面， 所述第一主体内具有平行于所述第一表面的第 一电极， 所述第 二主体内具有垂直于第一表面的第二电极；

在所述第一主体上形成牺牲层；

在所述牺牲层上形成绝缘层， 所述绝缘层和所述牺牲层围成 U型凹槽； 淀积形成覆盖所述牺牲层和绝缘层的导电层；

在所述牺牲层上的导电层上形成质量层，所述 质量层的顶部和所述绝缘层 顶部的导电层齐平；

去除所述绝缘层顶部的导电层和部分质量层， 所述质量层的顶部和所述绝 缘层顶部的导电层齐平；

去除所述绝缘层；

去除所述牺牲层。

优选的， 所述牺牲层的材料为纯度大于 50%的碳。

优选的， 所述形成牺牲层是利用等离子体增强化学气相 沉积工艺，且温度 为 350°C ~450°C。

优选的， 所述去除牺牲层的方法为： 利用氧气或者氮气的等离子体进行灰 化。

优选的，所述淀积形成覆盖所述牺牲层和绝缘 层的导电层的方法包括化学 气相淀积和物理气相淀积。

与现有技术相比， 本发明主要具有以下优点：

本发明通过在惯性微机电传感器中设置垂直电 容和水平电容，从而使得惯 性微机电传感器可以测量水平方向和垂直方向 上的移动或者旋转，并且所述质 量块包括第三电极和第四电极， 所述第三电极和第四电极相连并构成 U型凹 槽， 所述 U型凹槽内具有质量层， 这样所述质量块可以通过向所述 U型凹槽 内填充价格较低制作容易的质量层，从而在增 加质量块的重量的同时， 降低了 惯性微机电传感器的制造成本。 附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具 体说明，本发明的上述及其 它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图 中相同的附图标记指示相同的部 分。 并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图， 重点在于示出本发明的主旨。

图 1是本发明的惯性微机电传感器一实施例的结� �示意图；

图 2是本发明的惯性微机电传感器制造方法的流� �图；

图 3至图 10是本发明的惯性微机电传感器制造方法的示� ��图。

具体实施方式

由背景技术可知，传统技术中为了降低制造难 度， 通常惯性质量块是一个 整体的导电材料形成的， 所述导电材料要求导电性好、 性质稳定、 密度较大， 例如较常用的是错硅材料，但是上述性质的导 电材料价格都非常昂贵， 然而为 了使惯性质量块的惯性更大就需要使用更多所 述导电材料，这样就造成惯性微 机电传感器的成本非常高。

经过发明人的大量研究，得到了一种惯性微机 电传感器。 本发明通过在惯 性微机电传感器中设置垂直电容和水平电容， 从而使得惯性微机电传感器可以 测量水平方向和垂直方向上的移动或者旋转， 并且所述质量块包括第三电极和 第四电极， 所述第三电极和第四电极相连并构成 U型凹槽， 所述 U型凹槽内 具有质量层， 这样所述质量块可以通过向所述 U型凹槽内填充价格较低的质 量层，从而在增加质量块的重量的同时，降低 了惯性微机电传感器的制造成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加 明显易懂， 下面结合附图对 本发明的具体实现方式做详细的说明。本发明 利用示意图进行详细描述，在详 述本发明实施例时， 为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一 般比例作局 部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不 应限制本发明保护的范围。此外， 在实际制作中应包含长度、 宽度及深度的三维空间尺寸。

图 1是本发明的惯性微机电传感器一实施例的结� �示意图。 如图 1所示， 惯性 机电传感器包括： 主体 10和质量块 200, 所述质量块 200和所述主体 10活动连接， 其可以相对移动， 当所述主体 10移动或旋转， 所述质量块 200 可以保持静止， 反之亦可。 所述主体 10和质量块 200的连接方式本领域技术 人员可以参考电容式惯性加速传感器或者陀螺 仪中的质量块和主体的连接方 式， 例如所述质量块 200可以通过悬臂连接位于半导体村底上的支撑 环。通过 支撑环及悬臂的支撑， 使质量块 200 悬置于主体上。 其中， 支撑环位于主体 10 上的旋转轴外围， 从而， 支撑环、 悬臂和质量块可以一起绕主体的旋转轴 旋转， 从而使得主体 10和质量块 200可以相对移动或者旋转。

另外， 也可以所述质量块外围连接有悬臂， 所述悬臂搭接在主体上， 从而 也使得所述质量块 200悬置在所述主体上方或者侧面， 并且使得主体 10和质 量块 200可以相对移动。

所述主体 10包括相互垂直连接的第一主体 100和第二主体 300, 在一实 施例中所述第一主体为水平方向的主体， 所述第二主体为垂直方向的主体。 所 述第一主体 100具有第一表面 100a, 所述第一主体 100内具有平行于所述第 一表面 100a的第一电极 110, 所述第二主体 300内具有垂直于第一表面 100a 的第二电极 310。

所述第二主体 300和第一主体 100形成 L型结构 （1个第二主体 300 )或 者 U型结构 （ 2个第二主体 300 )。 所述质量块 200包括平行且相对于所述第 一表面 100a的第三电极 211和垂直于第一表面 100a的第四电极 231。 所述第 三电极 211和第四电极 231相连并构成 U型凹槽， 所述 U型凹槽内具有质量 层 233 , 因为只在质量块的外围使用了导电材料， 因此这样的结构， 即能增加 质量块的重量， 又能减少制作电极所用的导电材料。

所述第三电极 211与所述第一电极 110相对，从而所述第三电极 211与所 述第一电极 110之间的气体及所述第三电极 211和所述第一电极 110构成水平 电容 611。所述第四电极 231与所述第二电极 310相对，从而所述第四电极 231 与所述第二电极 310之间的气体及所述第四电极 231和所述第二电极 310构成 垂直电容 621。

本实施例中， 所述第二主体 300为 1个或者多个， 所述第二主体 300的材 料为： 氧化硅、 氮化硅、 碳化硅、 氮氧化硅和碳氮氧化硅的其中一种或及其组 合。

本实施例中， 所述第一主体 100为半导体基底， 所述第二主体 300位于半 导体基底上， 可以通过在半导体基底上淀积绝缘物质， 然后通过刻蚀， 保留半 导体基底部分区域上的绝缘物质，从而使得第 二主体 300和第一主体 100形成 L型结构 （ 1个第二主体 300 )或者 U型结构 （ 2个第二主体 300 )。

本实施例中， 所述第一电极 110的材料可以为： 铝、 钛、铜、 钴、 镍、 钽、 铂、 银和金的其中一种或其任意组合。

本实施例中， 所述第二电极 310的材料为： 铝、 钛、 铜、 钨和钽的其中一 种或其任意组合。

本实施例中， 所述第三电极 211和第四电极 231的材料为： 铝、 钛、 铜、 钴、 镍、 钽、 铂、 银和金的其中一种或其任意组合。

本实施例中， 所述质量层 233的材料可以为： 钨、 错硅、 锗、 铝、 氧化物 和氮化硅的其中一种或其任意组合。

另外，所述第一主体 100还可以包括位于所述第二电极 110下方的半导体 材料层 105 , 例如半导体材料层可以为单晶、 多晶或非晶结构的硅或硅锗 ( SiGe ) , 也可以是绝缘体上硅（ SOI ) , 还可以包括其它的材料， 例如锑化铟、 碲化铅、 砷化铟、 磷化铟、 砷化镓或锑化镓。 所述半导体材料层 105 内具有 MOS器件。

具体的， 质量块 200还可以包括金属层 235, 例如铝材料层， 所述金属层 235覆盖所述质量层 233和第四电极 231。

在本发明中由于在惯性质量块的侧壁上设置有 第四电极 231 , 第二主体 300中设置有第二电极 310,在主体 10移动时，惯性作用使得质量块 200静止； 如果沿平行于第一主体 100的第一表面 100a方向移动， 则第四电极 231和第 二电极 310之间的距离将发生变化，从而垂直电容 621的电容值发生变化， 这 样通过测量垂直电容 621的电容值可以获得主体 10的移动的参数， 例如在加 速度传感器中可以获得主体 10沿平行于第一主体 100的第一表面 100a方向移 动的加速度。 同样由于在惯性质量块的侧壁上设置有第三电 极 211 , 第一主体 100 中设置有第一电极 110, 因此在主体 10移动时， 如果沿垂直于第一主体 100的第一表面 100a方向移动， 质量块 200静止， 则第三电极 211和第一电 极 110之间的距离将发生变化， 从而水平电容 611的电容值发生变化， 这样通 过测量水平电容 611的电容值可以获得主体 10的移动的参数， 例如在加速度 传感器中可以获得主体 10沿垂直于第一主体 100第一表面 100a方向移动的加 速度。

在本发明中由于质量块 200采用了内层和外层的两层结构，内层用成本 较 低的质量层， 外层利用制作电极的材料，从而可以通过将质 量块的体积增大来 增加其重量， 由于质量层的成本比较低，从而增加重量只要 利用增加质量层的 材料， 因此不会造成成本的升高， 所以本发明在提高质量块重量的同时， 降低 了成本。 图 2是本发明的惯性微机电传感器制造方法的流� �图； 图 3至图 10是本 发明的惯性微机电传感器制造方法的示意图。 下面结合图 2至图 10对图 1所 示的惯性微机电传感器的制造方法进行说明。

如图 2所示， 包括步骤：

S10, 提供主体， 所述主体包括相互垂直连接的第一主体和第二 主体， 第 一主体具有第一表面， 所述第一主体内具有平行于所述第一表面的第 一电极， 所述第二主体内具有垂直于第一表面的第二电 极；

S20, 在所述第一主体上形成牺牲层；

S30, 在所述牺牲层上形成绝缘层， 所述绝缘层和所述牺牲层围成 U型凹 槽；

S40, 淀积形成覆盖所述牺牲层和绝缘层的导电层；

S50, 在所述牺牲层上的导电层上形成质量层， 所述质量层的顶部和所述 绝缘层顶部的导电层齐平；

S60, 去除所述绝缘层顶部的导电层；

S70, 去除所述绝缘层顶部的导电层和部分质量层， 所述质量层的顶部和 所述绝缘层顶部的导电层齐平；

S80, 去除所述牺牲层。

下面结合图 3至图 10进行详细说明。

首先， 进行步骤 S10, 如图 3所示， 提供主体 10, 所述主体 10包括第一 主体 100和第二主体 300。 所述第一主体 100可以为半导体基底， 所述半导体 基底可以是单晶、 多晶或非晶结构的硅或硅错（SiGe ), 也可以是绝缘体上硅 ( SOI ), 还可以包括其它的材料， 例如锑化铟、 碲化铅、 砷化铟、 磷化铟、 砷 化镓或锑化镓。 在第一主体内 100内具有第一电极 110, 所述第一电极 110平 行于所述第一主体 100的第一表面 100a (即上表面）设置。 所述第一电极 110 的材料可以为： 铝、 钛、 铜、 钴、 镍、 钽、 铂、 银和金的其中一种或其任意组 合。另外在所述第一主体 100内的第一电极 110下方还可以包括半导体材料层 105, 例如硅层， 在半导体材料层 105内可以具有已经制造好的 MOS器件。

在所述第一主体 100的部分区域上具有第二主体 300, 所述第二主体 300 可以为绝缘介质， 例如氧化硅、 氮化硅、 碳化硅、 氮氧化硅和碳氮氧化硅的其 中一种或其任意组合。 在所述第二主体 300 中具有垂直于所述第一主体 100 第一表面 100a的第二电极 310。 所述第二电极 310的材料为： 铝、 钛、 铜、 钨和钽的其中一种或其任意组合。

接着，进行步骤 S20,如图 4所示，在所述第一主体 100上形成牺牲层 102, 所述牺牲层 102覆盖所述第一主体 100的第一表面 100a, 例如可以采用化学 气相淀积（ CVD )的方法形成牺牲层 102。所述牺牲层 102的材料可以为： 碳、 锗或者聚酰胺（polyamide )。 另外所述牺牲层的材料为纯度大于 50%的碳。 具 体的牺牲层 102可以为非晶碳（Amorphous Carbon ), 利用等离子体增强化学 气相沉积（PECVD )工艺， 在温度为 350°C ~450°C , 气压： 1 torr ~20torr, RF 功率： 800 W ~1500W,反应气体包括： C3H6和 HE,反应气体流量为 1000 sccm ~3000sccm, 其中 C3H6: HE 2: 1-5: 1。

接着， 进行步骤 S30, 如图 5所示， 在所述牺牲层 102上形成绝缘层 104, 所述绝缘层 104至少包括互不相连的两部分，第一部分 104a和第二部分 104b。 例如可以采用 CVD的方法在所述牺牲层 102上形成绝缘层 104, 所述绝缘层 104的材料可以为： 氧化硅、 氮化硅、 碳化硅、 氮氧化硅或碳氮氧化硅及其组 合。 所述所述绝缘层 104的厚度为 1 μ m~15 μ m。

接着， 进行步骤 S40, 如图 6所示， 在利用气相淀积方法， 具体的可以利 用化学气相淀积（CVD )或物理气相淀积（PVD ), 在所述牺牲层 102和绝缘 层 104上淀积形成导电层 230。 所述导电层 230的材料为： 铝、 钛、 铜、 钴、 镍、 钽、 铂、 银、 金或其组合。 所述导电层 230的厚度为 50θ Α~500θ Α。

接着， 进行步骤 S50, 参考图 7, 在所述牺牲层 102上的导电层 230上形 成质量层 233, 然后利用化学机械研磨（CMP )的方法研磨， 使得所述质量层 233的顶部和所述绝缘层 104顶部的导电层 230齐平。

接着， 进行步骤 S60, 参考图 8, 可以利用 CMP去除所述绝缘层 104顶 部的导电层 230和部分质量层 233。 从而导电层 230剩余的部分就包括位于绝 缘层 104侧壁上的部分， 即第四电极 231 , 和位于牺牲层 102上的部分， 即第 三电极 211。

接着， 进行步骤 S70, 参考图 9, 去除所述绝缘层 104, 例如可以采用刻 蚀或者清洗的方法去除所述绝缘层 104。

接着， 进行步骤 S80, 参考图 10, 去除所述牺牲层 102。 具体的， 可以利 用清洗或者灰化的方法去除牺牲层，例如所述 灰化方法可以为利用氧气或氮气 工艺所形成的致密活性炭， 所述去除材料为氧气， 采用加热为 350°C ~450°C , 在此温度下，致密活性炭并不会发生剧烈燃烧 ，而可以被氧化成二氧化碳气体， 并通过通孔排出，牺牲层能够彻底地去除，而 器件的其余部分并不会受到影响。

在上述步骤之后， 所述第四电极 231、 第三电极 211和质量层 233就构成 惯性质量块。 所述第四电极、 第二电极及其之间的气体构成电容器， 即垂直电 容。 所述第三电极、 第一电极及其之间的气体构成电容器， 即水平电容。 本发 明在主体中设置了第二电极， 因此当主体发生水平方向的移动或者旋转，质 量 块保持不动， 则第二电极和第四电极构成的垂直电容的电容 值发生变化，从而 对其进行测量， 可以获得主体的运动情况， 例如加速度、 移动的距离、 旋转的 角度或者旋转的速度等等。同样，当主体发生 垂直于水平方向的移动或者旋转， 质量块保持不动， 则第一电极和第三电极构成的水平电容的电容 值发生变化， 从而对其进行测量， 可以获得主体的运动情况， 例如加速度、 移动的距离、 旋 转的角度或者旋转的速度等等，因此上述实施 例可用于形成个各种功能的传感 器。

在本发明中的质量块采用了两层的结构， 外层为电极内层为质量层， 外层 为了保证形成特性较好的电容可以采用错硅等 材料，内层的质量层由于只是起 到增加重量的作用， 因此可以采用价格相对便宜的氧化硅等材料， 由于质量层 的价格便宜， 因此可以做的质量块的体积较大， 即使增大质量块的体积， 由于 外层很薄因此锗硅需要的并不多， 因此这样可以增加质量重量而成本不会升 高， 相反的降低了成本。

在上述的制造过程中，可以在步骤 S20之前将所述第二主体利用掩膜层掩 蔽， 从而在步骤 S80之后将所述掩膜层去除。

另外在步骤 S60之后还可以在质量层 233和第四电极 231上形成金属层， 例如铝材料层、 铜材料层等等。

对于不同的应用环境还可以进一步的将所述惯 性质量快与所述主体 10活 动连接，例如在加速传感器中可以设置水平方 向的弹性部件将所述惯性质量块 在水平方向和主体相连， 另外设置垂直于水平方向的弹性部件，将所述 惯性质 量快在垂直于水平方向与主体 10相连。 对于陀螺仪中可以将主体中设置旋转 轴及可以绕旋转轴旋转的悬臂， 所述惯性质量块和主体之间通过悬臂相连，从 而惯性质量块可以绕旋转轴旋转，对于不同的 传感器中的应用， 本领域技术人 员可以根据相关经验获得， 在此不——赘述。

另外， 上述实施例中只对具有一个质量块的传感器进 行了说明， 除此之外 本发明还可以用于制造具有多个质量块的传感 器， 方法可参考前述实施例， 不 再赘述。 另外还可以在主体中设置多个第二主体和第二 电极。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已， 并非对本发明作任何形式上的 限制。 任何熟悉本领域的技术人员， 在不脱离本发明技术方案范围情况下， 都 可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技 术方案作出许多可能的变动和 修饰， 或修改为等同变化的等效实施例。 因此， 凡是未脱离本发明技术方案的 修饰， 均仍属于本发明技术方案保护的范围内。