专利名称：半导体集成电容性加速度传感器及其制造方法
技术领域：
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。
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)。
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。
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；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；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；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；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；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。
本发明涉及差分型电容式加速度传感器。
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。
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)P7-16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”的文章中找至，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.CTilmans、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”。
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。
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“Joumal of MicroelectromechanicalSystems，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 Joumal ofApplied 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。
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。
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。
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。
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。
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
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；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；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；图8给出图7的放大细节。
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、GA.Spierings、U.K.PBierman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。
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。
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。
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。
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。
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。
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+。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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板型和MOS型二种，各区域的联接方法也可不同于所示。
权利要求
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；其特征在于，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。
2.如权利要求1所述的传感器，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。
3.如权利要求2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。
4.如权利要求3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)。
5.如权利要求4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。
6.如权利要求4或5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)。
7.如上述各权利要求中任一项所述的传感器，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)。
8.如上述各权利要求中任一项所述的传感器，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。
9.如权利要求8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。
10.如上述各权利要求中的任一项所述的传感器，其特征在于所述半导体材料为硅。
11.一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)；其特征在于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。
12.如权利要求11所述的方法，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)。
13.如权利要求12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。
14.如权利要求13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)。
15.如权利要求14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。
16.如权利要求11至15所述的方法，其特征在于所述半导体材料是硅。
全文摘要
加速度传感器形成于一单晶硅片(4)上,其中单晶硅是一专用的SOI衬底(50)的一部分,该衬底具有第一硅片(1)和第二硅片(4),并由绝缘层(2)隔离,隔离层(2)具有空隙(3)。在空隙(3)的上方,第二硅片(4)内形成一个井(15),该井被挖到空隙以脱离出形成传感器的可移动物(24)的单晶硅物(23);可移动物(24)具有两组可移动电极(28a,28b),其分别与多个固定电极(29a,29b)相对。在平衡条件下,每个可移动电极(28)和固定电极(29)以不同距离被分开。
文档编号G01P15/02GK1180934SQ9711610
公开日1998年5月6日 申请日期1997年7月31日 优先权日1996年7月31日
发明者保罗·费拉里, 马里奥·福罗尼, 本尼德托·维格纳, 弗莱维奥·维拉 申请人:Sgs-汤姆森微电子有限公司