半导体集成电容性加速度传感器及其制造方法

1.一种集成电容式加速度传感器，包括一个半导体材料主体(50)其中 具有一可移动物(24)，所述移动物(24)具有可移动接点(28a，28b)，并且所述 可移动接点分别与固定接点(29a，29b)相对；所述的半导体材料主体(50)包 括一个单晶的传感器区域(15)，该传感器区域(15)形成所述的可移动物和所 述的可移动接点和固定接点，其特征在于，所述半导体材料主体由一专用 SOI衬底(50)组成，该衬底依次包括单晶硅的第一晶片(1)，在所述第一硅片 (1)上的绝缘材料层(2)和在所述绝缘材料层(2)上的单晶半导体材料的第二 晶片(4)；所述绝缘材料层被一空隙(3)分断，所述空隙(3)由所述第一和第二 晶片(1，4)及所述绝缘材料层(2)所形成。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述第二晶片(4)具有第 一导电型；所述传感器区域具有一个第二导电型的井(15)，该井在所述第二 晶片(4)内在所述第二晶片的上表面延伸至所述的空隙(3)，并由所述第二晶 片的外沿部分(4′)侧向围住。
3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，具有一系列的隔离和脱 开沟槽(20a，20b，20c，20d)，所述沟槽通过井(15)从所述上部表面(6)延伸至所 述的空隙(3)。
4.如权利要求3所述的传感器，其特征在于所述隔离沟槽(20a，20b)具 有在所述第二晶片(4)的外沿部分(4′)形成的边端。
5.如权利要求3或4所述的传感器，其特征在于，所述可移动物(24) 由隔离和脱开沟槽(20a，20b，20c 20d)侧向围住，并且由在边端(27)连成一体 的弹性臂(25)固定到所述井(15)。
6.如权利要求1所述的传感器，其特征在于所述的固定电极和可移动 电极(28a，28b，29a，29b)由梳状排列的半导体材料墙组成；并且每个可移动 电极(28a，28b)在处于平衡位置时与两个面对于所述可移动电极(28a，28b)的 固定电极(29a，29b)具有不同的距离(d1，d2)。
7.如权利要求1所述的传感器，其特征在于所述可移动物(24)是悬梁 状的，并且有一个第一和第二侧，该第一和第二侧分别包括多个一(28a)和 第二(28b)可移动半导体材料墙，所述半导体材料墙形成所述的可移动电极， 并且与多个形成所述固定电极的第一(29a)和第二(29b)固定半导体材料墙排 列成梳状；每个所述多个第一可移动墙(28a)有与在第一方向(A)中与所述可 移动墙(28a)相对的一个固定墙(29a)的第一距离为(d1)，并且有一个第二距离 (d2)，该距离是和与所述可移动墙(28a)相对的固定墙(29a)的距离，其方向为 与所述第一方向相反的第二方向；并且所述的第二多个可移动墙的每个可 移动墙(28b)有一个所述的第二距离(d2)，该距离是在所述的第一方向(A)上 与和所述的可移动墙(28b)相对的固定墙(29b)的距离，并且具有第一距离 (d1)，该距离是在第二方向上与和所述的移动墙(28b)相对的固定墙(29b)的距 离。
8.如权利要求7所述的传感器，其特征在于，在所述第一多个固定墙 (29a)上加有第一偏压(V-)；在所述第一和第二多个可移动墙(28a，28b)上加 有第二偏压(V)，第二偏压(V)高于第一偏压(V-)；并且在所述第二多个固定 墙(29b)上加有第三偏压(V+)，第三偏压高于所述第二偏压。
9.如权利要求1所述的传感器，其特征在于所述半导体材料为硅。
10.一种制造一个集成电容式加速度传感器的方法，包括下述步骤：形 成一个半导体材料主体(50)，其中形成有一个可移动物(24)，可移动物(24) 中具有分别与固定接触端(29a，29b)相对的可移动接触端(28a，28b)；
形成一单晶传感器区域(15)；并且
在所述传感器区域内形成沟槽用以形成所述可移动物、所述的可移动 电极和固定电极，
其特征在于，在形成传感器区域的步骤中包括下面的步骤：
在单晶半导体材料的第一晶片(1)上形成绝缘材料层(2)；
有选择性地除去所述绝缘材料层(2)的一部分；并且
将一单晶半导体材料的第二晶片(4)键合到所述绝缘材料层上，从而与 所述第一晶片(1)和所述绝缘材料层(2)一起，形成一空隙(3)。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述的第二晶片上具 有第一导电型；并且形成一传感器区的所述步骤也包括在第二晶片上形成 一个第二导电型的井的步骤；所述的井由所述第二晶片的上表面延伸至所 述空隙，并且被所述第二晶片的外沿部分侧围。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述形成井(15)的步 骤之后，有一个将所述井的一部分有选择性地除去的步骤，以形成多个隔 离和脱开沟槽20，所述多个沟槽由所述第二晶片(4)的所述表面(6)延伸至所 述空隙(3)。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的隔离沟槽(20a，20b) 具有在所述第二晶片(4)的所述外沿(4′)中形成的端部；所述的可移动物由与 端侧(27)连成一体的弹性臂(25)固定到所述井(15)上。
14.如权利要求10至13所述的方法，其特征在于所述半导体材料是硅。

技术领域\n本发明涉及半导体集成电容性加速度传感器及其制造方法。\n背景技术\n众所周知，加速度传感器广泛应用于汽车工业：气袋、ABS、主动式 悬挂装置、引擎控制和ASR(防滑旋转)。\n近来，已提出了利用微电子技术制造的电机硅微结构来用于加速度传 感器；与传统的较大的惯性机械开关相比，该技术具有很大的优点：低成 本、良好性能和可靠性、更好的信噪比、以及可与存贮电路集成形成智能 传感器和在线自检验系统、并且具有更好的可重复性及灵敏度。\n目前制造的6种典型的硅半导体加速度传感器基本上以下述不同方式 工作：\n压电式：由加速度移动的物体压缩或拉长压电材料的薄片，可检测到 横跨该薄片两端的电压；\n压敏电阻式：一硅膜盒的惯性偏移使一个由分布在膜盒中的压敏电阻 元件组成的惠斯特(wheatstone)电桥变为不平衡；\n电容式：加速度产生形成一单一电容的可移动电极的振动物的偏移(电 容量的绝对变化)或者两个电连接的电容的公共电极的偏移从而在相对反方 向改变两个电容量的差分变化；\n阀值式：加速度导致一个硅微条产生弯曲从而关闭一个电子线路；\n谐振式：加速度使一个悬挂的微机械结构振动的固有频率产生偏离；\n沟道响应式：加速度改变其中一个是可移动的两个电极，从而产生量 子(quantic)沟道电流。\n本发明涉及差分型电容式加速度传感器。\n传统上，集成微结构一般由体式显微加工技术来制造，由此对一个硅 片的两面进行处理以利用单晶硅极佳的机械性能。然而，从前向后的处理 过程，和对硅片进行特殊处理的需求使得体式显微加工技术与当前的集成 电路制造技术不相容。\n因此在80年代中期提出了表面显微加工技术，由此传感元件由多晶硅 形成，且悬浮结构由淀积然后顺次去掉消耗层而形成。关于这方面的细节， 可以在例如在Sensors And Actuators A45(1994)P.7-16中由W.Kuehnel和 S.Sherman所作的题为“一个表面微加工的具有在片检测电路的硅加速度 计”的文章中找到，以及由Analog Devices Inc.提出的专利EP-A-O 543 901中找到。尽管与平面微电子技术相容，但上述的解决方案在脱开悬浮结 构(即，从半导体主体部分分离悬浮结构)时出现了严重问题，这是由于微结 构由于所产生的毛细现象和Van der Waals力而趋于崩坍(相关细节可见于， 例如Sensors and Actuators A，43(1994)，P.230-238中)由R.Legtenberg、 H.A.C Tilmans、J.Elders和M.Elwenspoek的“清洗及干燥后的表面微加工 结构的静阻力：粘着机制的模型及分析”。\n其它非常特别的技术，如“晶片溶解”(Wafer dissolving)是通过特殊工 艺来形成硅微结构，该工艺与标准的平面微电子技术完全不相容。在某种 意义上讲，这些“就事论事”的处理技术仅具有把目前用于其它材料的处 理技术移到硅上而已，并且仅用于制造传感部分，因而处理和控制电路必 须用不同的芯片形成。\n对不同类型的传感器来讲，还提出SOI(绝缘层上硅)衬底，其中原始硅 片包括有硅-氧化硅-硅叠层，在传感器区域内，有选择地去掉氧化层以 形成空隙。在与空隙接触后，从硅片前端形成的沟槽用于形成悬浮结构。 有关涉及切变压力传感器的细节可在例如“Journal of Microelectromechanical Systems，Vol.1，N.2，Jun 1992，P.89-94”中由J.Shajii，Kay-yip Ng和 M.A.Schmidt作的题目为“一个使用硅片键合技术进行微加工的浮动元件切 变压力传感器”找到。所用的键合(Bonding)技术(不包括空隙的形成)也在 Japanese Journal of Applied Physics，Vol.28，N.8，August 1989，P.1426-1443 中J.Jausman、G.A.Spierings、U.K.P. Bierman及J.A.Pals作的题为“绝缘层 上硅的硅片键合精微技术评价”中阐述。\n发明内容\n本发明的目的在于提出一种加速度传感器及所涉及的制造方法，旨在 于克服与现有的技术方案相关联的典型缺点。\n依据本发明，提出一种集成电容式加速度传感器，包括一个半导体材 料主体其中具有一可移动物，所述移动物具有可移动接点，并且所述可移 动接点分别与固定接点相对；所述的半导体材料主体包括一个单晶的传感 器区域，该传感器区域形成所述的可移动物和所述的可移动接点和固定接 点，其特征在于，所述半导体材料主体由一专用SOI衬底组成，该衬底依 次包括单晶硅的第一晶片，在所述第一硅片上的绝缘材料层和在所述绝缘 材料层上的单晶半导体材料的第二晶片；所述绝缘材料层被一空隙分断， 所述空隙由所述第一和第二晶片及所述绝缘材料层所形成。\n依据本发明，提出一种制造一个集成电容式加速度传感器的方法，包 括下述步骤：形成一个半导体材料主体，其中形成有一个可移动物，可移 动物中具有分别与固定接触端相对的可移动接触端；形成一单晶传感器区 域；并且在所述传感器区域内形成沟槽用以形成所述可移动物、所述的可 移动电极和固定电极，其特征在于，在形成传感器区域的步骤中包括下面 的步骤：在单晶半导体材料的第一晶片上形成绝缘材料层；有选择性地除 去所述绝缘材料层的一部分；并且将一单晶半导体材料的第二晶片键合到 所述绝缘材料层上，从而与所述第一晶片和所述绝缘材料层一起，形成一 空隙。\n依据本发明，在实施例中，所述加速度传感器在形成专用的(dedicated) SOI衬底部分的单晶硅片上形成，其中，由硅片前端形成的沟槽用于分离单 晶硅物质以形成所述一组电容器的内部电极。\n附图说明\n一个优选的然而并非限定的本发明的实施例将通过相关附图来描述， 其中：\n图1-5给出依据本发明在制造方法中的顺次处理步骤中半导体材料晶 片的剖面图；\n图6给出依据本发明在所述图1-5中由晶片实现所述传感元件的部分 透视图；\n图7给出依据本发明更大范围的所述传感元件的顶平面视图；\n图8给出图7的放大细节。\n具体实施方式\n一个硅氧化层2以例如热生长方式形成于第一单晶硅片1上(图1)，氧 化层2被掩模并有选择地被腐蚀去除一部分以形成用于生成“空隙”的开 放区域3(图2)，并且使用例如上述的由J.Hausman、G.A.Spierings、U.K.P. Bierman和J.A.Pals所著的文章里的方法将一个第二单晶硅片(本例为P型) 与氧化层2相键合，以形成专用的SOI衬底50，其中空隙3由第二和第一 硅片4和1在上部及下部围住，并由氧化层2在侧部围住。\n此时，SOI衬底可用通常的方式来处理以形成集成电路的双极型及 MOS型电子元件。更进一步(图4)，第二硅片4具有结区或介电绝缘区5， 该绝缘区由第二硅片4的上表层6延伸至氧化层2，并且在一个N型井10 中形成一个MOS晶体管，该晶体管包括一个P型源区和漏区11和一个控 制栅区12，该控制栅区由一个栅氧化区14同第2硅片4隔离开来。当形成 所述电子元件时，也形一个N_井15，该N_井延伸至并履盖整个空隙3。 事实上，井15定义了一个区域(用以放置传感元件)，该区域由第二硅片4 的其余部分(4′)侧围，其底部为空隙3，并且最好利用合适的掩模板以N- 井或P-井注入步骤同时(在所示该例中，是在注入井10时)形成。\n一个电介质保护层16(例如硅氮化物或者BPSG-硼磷硅玻璃)被淀积； 所述触点是敞开的；并且一个金属层被淀积和在第二硅层4上形成接触电 极17，并且这样获得如图4所示的中间结构。\n此时，在单晶硅第二硅片4上形成沟槽以脱离出加速度传感器的所述 可移动物，从该移动电极中分开固定区；以及隔离差分电位区，这都是通 过光刻技术和化学腐蚀步骤来完成，以去除在空隙3上电介质层16和第二 硅片4的部分，从而形成沟槽20。\n沟槽20的实际形状如图6和图7的立体图及顶视图所示。更详细地， 第一和第二沟道20a和20b形成了锯齿形电气绝缘沟槽以将可移动物同传 感器的固定电极分隔开；一个第三和第四沟槽20c和20d形成了脱开沟槽以 脱开由23表示的整个可移动结构；并且整个沟槽20延伸穿过N-井15， 其厚度为从绝缘层16(包括绝缘层)至空隙3(图5)，其长度至第二硅片4中4′ 部分的外沿，超过PN结，以保证所述电极的有效绝缘，尽管这对沟槽20c 及20d的情形不是严格必须的。\n更详细地讲，可移动结构23是H-形的，并且包括一个悬梁状(beam -Shaped)可移动物24和一对用以将可移动物24固定在衬底50上的横向臂 25。横向臂25也被称为“弹簧”，它可以将可移动物24恢复到平衡位置， 该横向臂25被固定在衬底50如图7的箭头27所示的垂直边上；该垂直边 27形成可移动结构23的固定件，且在侧面由沟槽20、在顶部由器件的表 面、在底部由空隙3所围。一系列的横向墙28a、28b由可移动物24的每侧 伸出，形成电容式传感器的可移动电极，并与形成固定电极的29a和29b 梳状交替而形成。\n固定电极29a、29b通过触点17a和17b加上不同的偏压V+和V-；而 可移动电极28a和28b通过与横向臂25的端点相接的4个触点17c加上偏 压V，此处V-＜V＜V+。\n每个可移动电极28a、28b由与两个相对的固定电极29a、29b以不同 的距离相分开。如图8中一个元件单元的放大细节所示，在平衡条件下， 每个可移动电极28a以距离d1、d2(这里d1＞d2)在由箭头A所示的第一方向 上(向上)，以及在与第一方向相反的第二个方向上与分别与之相对(图8)的 两个固定电极29a相分开；并且每个可移动电极28b以距离d2、d1与相应 的固定电极29b相分开(即分别在第一和第二方向与之面对)。\n每个可移动电极28a、28b和与之相对的以距离d1和d2相隔的固定电 极29a、29b形成两个并联电容器；考虑到二个距离的差，对于每个可移动 电极28a，28b的有效电容由距离为d2的固定电极29a，29b决定(在图8中c1 在左边c2在右边)。如此，所述传感器包括串联在端子17a和17b之间的两 个电容器构成，并且具有公用端子17c；并且每个电容又包括一组并联的单 元电容器c1、c2，并且电极的距离(静止时)为d1。\n在有加速度A的情况中(如图8的箭头所示)，加速度A平行于可移动 物24，当将可移动物从由实线所示平衡位置移至由虚线所示的位置时，电 容c1的距离d1减小并且电容c2的距离d2增加，从而增大电容c1的容量并 且减小c2电容的容量；这种电容量的变化由集成于同一芯片上公知的信号 处理电路来测检，并且转换成电压，以按应用的需要作进一步处理。\n依据本发明的加速度传感器及制造方法的优点如下：用单晶硅形成可 移动物质消除了在使用如多晶硅薄膜淀积方法时对传感器所遇到的典型的 拉伸和压缩力；并且该可移动物形成于一个单晶硅片上，移动物与淀积的 膜相比要厚，因此该传感器电容量较大，并且更灵敏，会更少引起信号处 理的问题。\n本发明描述的结构呈现出更高的抗弯刚度，并且，不同于由除去消耗 层所形成的结构，因而在沟槽形成后的干燥处理中更不容易崩坍。\n所述传感器的制造技术与平面微电子技术完全兼容，从而可提供相同 的可靠性和可重复性的优点；加速度传感器和信号处理及控制电路可整体 地集成于一个芯片上；并且，与当前使用的模/数线路的制造方法相比，仅 需两个额外掩模板(即，产生空隙和形成沟槽的掩模板)从而所述方法也是经 济的。\n非常明显，在不脱离本发明的精神的范围下，可以对所述的传感器和 制造方法进行修改。特别是，集成于同一芯片上的电子元件可以是双极型 和MOS型二种，各区域的联接方法也可不同于所示。