專利名稱：一種壓阻傳感器芯片及其加工工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微電子器件及加工工藝，特別是關(guān)于一種用于微水平作用力 探測的壓阻傳感器芯片及其加工工藝。
技術(shù)背景微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems ，MEMS)力學(xué)傳感器 是MEMS最早的產(chǎn)品之一，按敏感原理分類有壓阻式、電容式、壓電式等幾種。其 中，使用基于半導(dǎo)體微懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓阻傳感器來探測微力，具有結(jié)構(gòu)簡單、成 本低、信號處理方便等優(yōu)點，在材料科學(xué)、精密測控和生物化學(xué)反應(yīng)檢測等領(lǐng)域 具有巨大的應(yīng)用前景?；谖冶哿航Y(jié)構(gòu)的壓阻式力學(xué)傳感器的基本工作原理是當(dāng)微懸臂梁在微 力下發(fā)生彎曲時，半導(dǎo)體晶格間距會發(fā)生變化，使得其電阻率發(fā)生改變。微懸臂 梁上電阻值的變化和所施加微力的大小存在一定的關(guān)系，即受壓時電阻變大，受 拉時電阻變小。通過連接信號處理電路(如惠斯通橋式電路)就可以獲取電阻的 變化情況，從而間接計算出微懸臂梁上微力的大小。微懸臂梁可沿結(jié)構(gòu)平面的橫 向和垂向發(fā)生彎曲，由電阻值的變化來檢測來自于橫向和垂向的微力情況。目前 己有技術(shù)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及為提高靈敏度而進(jìn)行的改進(jìn)，大多針對于檢測垂向微 力，用于檢測橫向微力的微懸臂梁的制作相對困難。在橫向微力作用下，微懸臂梁的中性面兩側(cè)一半受拉，另一半受壓。如果壓 阻分布在中性面的兩側(cè)，則受壓一邊的壓阻值將增加，而受拉一邊的壓阻值將減 小，從而整個微懸臂梁上電阻的變化不大，導(dǎo)致檢測的靈敏度很低?，F(xiàn)有技術(shù)對 這個問題的解決方法是，在壓阻的加工中限制性地控制摻雜區(qū)在中性面的某一側(cè)， 使同一個壓阻區(qū)域內(nèi)不出現(xiàn)符號相反的微力。這種方法對于微懸臂梁較寬的情況 容易實現(xiàn)，但是為了得到較高的橫向檢測精度需要微懸臂梁盡量窄。由于光刻對 準(zhǔn)誤差、雜質(zhì)摻雜過程中的橫擴(kuò)等限制，加工時壓阻區(qū)域很可能跨越中性面，導(dǎo) 致整個器件性能的惡化。目前，美國斯坦福大學(xué)的B. W. Chui等人為了實現(xiàn)平面 微力的檢測，采用傾斜注入的方法在微懸臂梁的垂直側(cè)壁上加工壓阻，但是這種 方法引入了一些非常規(guī)的加工步驟，且需要特殊的設(shè)備而使加工成本很高。荷蘭 Delft理工大學(xué)的T. Chu Duc等人提出了一種可用于檢測兩個方向力的壓阻式微 懸臂梁傳感器，但該方案并不是專門為檢測橫向微力而設(shè)計，并未解決微懸臂梁3的問題。同時，目前尚未出現(xiàn)將傳感器與信號處理電 路集成在一起的技術(shù)方案設(shè)計和加工方法。為了降低工藝的成本和復(fù)雜度，并且 能很好的解決以上問題，本發(fā)明對現(xiàn)有技術(shù)的局限進(jìn)行改進(jìn)。 發(fā)明內(nèi)容針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種用于檢測橫向微力，微懸臂梁寬度 減小，精度提高，并集成信號處理電路的壓阻傳感器芯片及其加工工藝。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案 一種壓阻傳感器芯片，其特征 在于它包括多個微懸臂梁和一個信號檢測電路；每一個微懸臂梁的固定端為一 二分叉結(jié)構(gòu)，壓阻設(shè)置在所述二分叉結(jié)構(gòu)上，所述信號檢測電路與各所述微懸臂 梁采用電橋連接。在所述二分叉結(jié)構(gòu)中的一個叉上設(shè)置有所述壓阻。所述微懸臂梁的數(shù)量為四個，其與所述信號檢測電路采用單橋連接。 在所述二分叉結(jié)構(gòu)的兩個叉上分別設(shè)置有所述壓阻，不同叉上的壓阻互不聯(lián)通。所述微懸臂梁的數(shù)量為二個，其與所述信號檢測電路采用雙橋連接。上述壓阻傳感器芯片的加工工藝，它包括以下步驟a)采用P型硅襯底，由 標(biāo)準(zhǔn)互補金屬氧化物半導(dǎo)體生產(chǎn)線加工信號處理電路；同時加工出N阱，并在設(shè) 定位置進(jìn)行壓阻的注入摻雜；b)使用等離子增強化學(xué)氣相沉積方法在P型硅襯底 表面形成氧化硅薄膜;c)在微電子機(jī)械系統(tǒng)處理中，在所述N阱上方的氧化硅薄 膜上光刻出各微懸臂梁的結(jié)構(gòu)圖形，使用反應(yīng)離子刻蝕的方法去除相應(yīng)位置表面 的氧化硅薄膜；d)采用感應(yīng)耦合等離子體技術(shù)將所述步驟c)中已去除氧化硅薄 膜的地方刻蝕出溝槽；e)使用所述等離子增強化學(xué)氣相沉積方法在步驟d)的溝 槽內(nèi)形成氧化硅薄膜；f)使用所述反應(yīng)離子刻蝕的方法去除溝槽底部的氧化硅薄 膜；g)使用所述感應(yīng)耦合等離子體技術(shù)刻蝕P型硅襯底，實現(xiàn)各微懸臂梁的結(jié)構(gòu) 釋放；h)裂片為若干單個壓阻傳感器芯片。所述步驟a)中的摻雜區(qū)域等于或大于設(shè)定范圍。所述步驟d)中溝槽的深度超出N阱。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明將多個微懸臂梁 結(jié)構(gòu)和與其配套的信號檢測電路集成在一起，從而提高了芯片的穩(wěn)定性與可靠性。 2、本發(fā)明通過使用固定端分叉的微懸臂梁結(jié)構(gòu)，避免了在同一壓阻上出現(xiàn)不同符 號的應(yīng)力，不但有效解決了橫向微力檢測靈敏度與微懸臂梁寬度之間的矛盾，還 可實現(xiàn)單電橋測量或雙電橋測量。3、本發(fā)明微懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓阻在制作過程中可自對準(zhǔn)于分叉微懸臂梁上的設(shè)計位置，從而消除了摻雜時橫擴(kuò)等因素的影響。4、 本發(fā)明壓阻的摻雜工藝在CMOS加工中完成，壓阻形狀的定義在后面的MEMS加工 中完成，整個過程中不需要有任何的額外步驟，降低了整個工藝的復(fù)雜度。5、本 發(fā)明采用Post CMOS的方法制造，適合于低成本批量生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明集成了微懸臂梁結(jié)構(gòu)與信號檢測電路的示意圖 圖2是本發(fā)明的分叉微懸臂梁的側(cè)視示意圖 圖3是本發(fā)明的分叉微懸臂梁的俯視示意圖 圖4a-4f是本發(fā)明壓阻傳感芯片的加工工藝流程示意圖 圖5是本發(fā)明的微懸臂梁上壓阻摻雜區(qū)域示意圖具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明是在一張P型硅襯底1上加工若干壓阻傳感器芯片，每 個壓阻傳感器芯片包括多個微懸臂梁2和與其配套的信號檢測電路3。芯片制作完 成，經(jīng)裂片形成若干單個壓阻傳感器芯片。如圖2、圖3所示，本發(fā)明每一個單個的壓阻傳感器芯片中的微懸臂梁2，其 固定端21為一二分叉結(jié)構(gòu)，微懸臂梁2的懸臂端22承受外力。在微懸臂梁2兩 個分叉上分別設(shè)置有一壓阻23，兩分叉上的壓阻23互相不聯(lián)通。由于壓阻23具 有受壓的時候阻值變大，受拉的時候阻值變小的特性，因此當(dāng)懸臂端22受到橫向 微力F時，固定端21上不同分叉上的壓阻阻值變化趨勢相反，兩壓阻23阻值的 變化體現(xiàn)了微懸臂梁上的受力情況。位于微懸臂梁2上的壓阻可組成單電橋或者雙電橋進(jìn)行測量。由于各微懸臂 梁的結(jié)構(gòu)相同、并采用同樣工藝、同時加工完成，因此它們上面壓阻的性能完全 一致。如果每一個微懸臂梁2上的兩個分叉都加工有壓阻，那么在迸行雙橋測量 時，每兩個微懸臂梁2為一組，它們上面的四個壓阻23組成惠斯通電橋。如果只 在每一個微懸臂梁2的一個分叉上加工壓阻23，則在進(jìn)行單橋測量時，四個微懸 臂梁2為一組，它們上面的四個壓阻23組成惠斯通電橋。兩種組橋方式在測量時 都只有一個微懸臂梁2受到力的作用發(fā)生彎曲形變，其余微懸臂梁2上不受力的 作用。不受力的微懸臂梁2上的壓阻作為參考電阻。單電橋組橋方式可減小金屬 連接線的復(fù)雜度和相互干擾；雙電橋測量可補償溫度和其它因素對測量的影響。 壓阻區(qū)域長度、二分叉結(jié)構(gòu)的寬度以及摻雜工藝的結(jié)深決定了壓阻值的大小。同 時這種二分叉結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工方法可有效減小微懸臂梁2的寬度k，從而增大檢測的靈敏度。壓阻23以及電橋的接線在P型硅襯底1上集成加工完成，由此可以直 接讀出電信號，用于間接計算出微懸臂梁2的懸臂端22所受橫向微力F的大小。 固定端21的二分叉結(jié)構(gòu)的設(shè)計按照以下原則1)微懸臂梁2上能夠承受的 最大橫向微力F應(yīng)小于其材料的許用應(yīng)力，以保證其在使用中不被損壞；2)盡可 能將壓阻23安排在微懸臂梁2上承受的微力較大的區(qū)域，比如靠近固定端21的 根部，以保證檢測的靈敏度；3)微懸臂梁2上不應(yīng)出現(xiàn)與橫向微力F不同方向的 力；4)微懸臂梁2的寬度k盡可能小，以得到較高的橫向微力F檢測精度。如圖4a f所示，本發(fā)明的加工工藝是采用標(biāo)準(zhǔn)互補金屬氧化物半導(dǎo)體 (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS)工藝結(jié)合微電子機(jī)械系統(tǒng) (Micro Electro Mechanical Systems ,MEMS)工藝加工壓阻傳感器芯片。這種 工藝的特點在于它將微懸臂梁2與信號檢測電路3集成在一起，在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS 生產(chǎn)線加工信號檢測電路3的同時，在P型硅襯底1上加工出額外的N阱4用作 微懸臂梁2的加工，并完成壓阻23的摻雜工藝。微懸臂梁的寬度k及固定端21 的二分叉結(jié)構(gòu)寬度v的定義，在之后的MEMS工藝中完成。這種基于CMOS工藝的 加工方法稱作后CMOS (Post CMOS)方法，適合于低成本批量生產(chǎn)。 本發(fā)明壓阻傳感器芯片的加工步驟如下1、 如圖4a所示，采用CMOS工藝中的標(biāo)準(zhǔn)P型硅襯底1，在標(biāo)準(zhǔn)CMOS生產(chǎn)線 加工出信號處理電路3，以及微懸臂梁結(jié)構(gòu)2的金屬引線5。同時加工出額外的N 阱4，并完成在N阱4中指定位置進(jìn)行P型壓阻23的注入摻雜，摻雜區(qū)域6 (圖5 所示)，可以等于或超出壓阻23的設(shè)定范圍。2、 使用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法在P型硅襯底1表面形成 氧化硅薄膜7，作為電路的隔離與保護(hù)。3、 如圖4b所示，在N阱4上方的氧化硅薄膜的指定位置上光刻出微懸臂梁 的結(jié)構(gòu)圖形(如圖3所示)，定義微懸臂梁寬度k及固定端21的二分叉結(jié)構(gòu)寬度v， 使用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)去除兩分叉之間a (如圖3所示)處和微懸臂梁的外輪 廓之外b (如圖4b所示)處表面的氧化硅薄膜。4、 如圖4c所示，采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)技術(shù)將步驟3中a處和b處 已去除氧化硅薄膜的地方刻蝕出溝槽，溝槽深度要超過N阱4的深度，溝槽深度 也是微懸臂梁的高度。5、 如圖4d所示，使用PECVD方法在步驟4的加工出來的兩處溝槽內(nèi)形成氧 化硅薄膜8，實現(xiàn)側(cè)墻保護(hù)。6、 如圖4e所示，利用RIE技術(shù)對氧化硅進(jìn)行各向異性刻蝕，來去除兩溝槽底部的氧化硅薄膜，而保留側(cè)壁上的氧化硅薄膜。7、如圖4f所示，利用步驟4中的ICP技術(shù)對兩溝槽底部的P型硅襯底1進(jìn) 行各向異性和各向同性刻蝕，實現(xiàn)微懸臂梁的結(jié)構(gòu)釋放。其中固定端21同P型硅 襯底1相連，其上分叉且在每叉上設(shè)有壓阻23;而懸臂端22懸空，受橫向微力F 的作用。如圖5所示，通過以上工藝，可以得到一個集成信號檢測電路3的壓阻傳感 器芯片。在步驟1和步驟2中，由于壓阻23是先進(jìn)行擴(kuò)散，后刻蝕成形，因此壓 阻23的大小與摻雜時的橫向擴(kuò)散等因素?zé)o關(guān)。這樣便于精確掌握壓阻23的大小， 使其自動對準(zhǔn)微懸臂梁2上的設(shè)計位置。本發(fā)明的壓阻傳感器芯片主要用于檢測橫向微力，通過芯片內(nèi)適當(dāng)?shù)碾姌蜻B 接也可以用于垂向微力的檢測。本發(fā)明基本解決了現(xiàn)有技術(shù)工藝復(fù)雜，橫向力檢 測精度差的問題，適合低成本大批量生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1、一種壓阻傳感器芯片，其特征在于它包括多個微懸臂梁和一個信號檢測電路；每一個微懸臂梁的固定端為一二分叉結(jié)構(gòu)，壓阻設(shè)置在所述二分叉結(jié)構(gòu)上，所述信號檢測電路與各所述微懸臂梁采用電橋連接。
2、 如權(quán)利要求l所述的一種壓阻傳感器芯片，其特征在于在所述二分叉結(jié) 構(gòu)中的一個叉上設(shè)置有所述壓阻。
3、 如權(quán)利要求2所述的一種壓阻傳感器芯片，其特征在于所述微懸臂梁的 數(shù)量為四個，其與所述信號檢測電路采用單橋連接。
4、 如權(quán)利要求l所述的一種壓阻傳感器芯片，其特征在于在所述二分叉結(jié) 構(gòu)的兩個叉上分別設(shè)置有所述壓阻，不同叉上的壓阻互不聯(lián)通。
5、 如權(quán)利要求4所述的一種壓阻傳感器芯片，其特征在于所述微懸臂梁的 數(shù)量為二個，其與所述信號檢測電路采用雙橋連接。
6、 如權(quán)利要求1 5所述的一種壓阻傳感器芯片的加工工藝，它包括以下步驟a) 采用P型硅襯底，由標(biāo)準(zhǔn)互補金屬氧化物半導(dǎo)體生產(chǎn)線加工出若干信號處 理電路；同時加工出若干N阱，并在設(shè)定位置進(jìn)行壓阻的注入摻雜；b) 使用等離子增強化學(xué)氣相沉積方法在P型硅襯底表面形成氧化硅薄膜；c) 在微電子機(jī)械系統(tǒng)處理中，在所述N阱上方的氧化硅薄膜上光刻出各微懸 臂梁的結(jié)構(gòu)圖形，使用反應(yīng)離子刻蝕的方法去除相應(yīng)位置表面的氧化硅薄膜；d) 采用感應(yīng)耦合等離子體技術(shù)將所述步驟c)中已去除氧化硅薄膜的地方刻 蝕出溝槽；e) 使用所述等離子增強化學(xué)氣相沉積方法在步驟d)的溝槽內(nèi)形成氧化硅薄膜；f) 使用所述反應(yīng)離子刻蝕的方法去除溝槽底部的氧化硅薄膜；g) 使用所述感應(yīng)耦合等離子體技術(shù)刻蝕P型硅襯底，實現(xiàn)各微懸臂梁的結(jié)構(gòu) 釋放；h) 裂片為若干單個壓阻傳感器芯片。
7、 如權(quán)利要求6所述的一種壓阻傳感器芯片的加工工藝，其特征在于所述 步驟a)中的摻雜區(qū)域等于設(shè)定范圍。
8、 如權(quán)利要求6所述的一種壓阻傳感器芯片的加工工藝，其特征在于所述 步驟a)中的摻雜區(qū)域大于設(shè)定范圍。
9、 如權(quán)利要求6或7或8所述的一種壓阻傳感器芯片的加工工藝，其特征在 于所述步驟d)中溝槽的深度超出N阱。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓阻傳感器芯片及其加工工藝，本發(fā)明的壓阻傳感器芯片，其特征在于它包括多個微懸臂梁和一個信號檢測電路；每一個微懸臂梁的固定端為一二分叉結(jié)構(gòu)，壓阻設(shè)置在所述二分叉結(jié)構(gòu)上，所述信號檢測電路與各所述微懸臂梁采用電橋連接。本發(fā)明將多個微懸臂梁結(jié)構(gòu)和與其配套的信號檢測電路集成在一起，從而提高了芯片的穩(wěn)定性與可靠性。同時本發(fā)明通過使用固定端分叉的微懸臂梁結(jié)構(gòu)，避免了在同一壓阻上出現(xiàn)不同符號的應(yīng)力，不但有效解決了橫向微力檢測靈敏度與微懸臂梁寬度之間的矛盾，還可實現(xiàn)單電橋測量或雙電橋測量。本發(fā)明采用Post CMOS的方法制造，適合于低成本批量生產(chǎn)。
文檔編號B81C1/00GK101324473SQ20081011752
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月31日
發(fā)明者旭 季, 李志宏 申請人:北京大學(xué)