一种惯性传感器及其形成方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种惯性传感器及其形成方法。

背景技术：

基于mems（micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统）技术制作的惯性传感器，由于其具有结构简单、与微电子制作工艺兼容性好、可大批量制造、体积小等优点而受到广泛关注。

现有工艺中，惯性传感器的形成方法通常包括：首先，提供相互键合的第一衬底和第二衬底；接着，刻蚀所述第二衬底，以形成可动梳齿结构，并使所述可动梳齿结构悬置在所述第一衬底的上方。然而，基于现有工艺所制备出的惯性传感器中常常会出现可动梳齿结构其各个梳齿的侧壁受到损伤的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种惯性传感器的形成方法，以改善所形成的可动梳齿结构其梳齿侧壁的损伤。

为解决上述技术问题，本发明提供一种惯性传感器，包括：提供具有第一导电材料层的第一衬底和具有第二导电材料层的第二衬底，以及所述第二导电材料层在梳齿区的表面上形成有凹槽，并且在所述凹槽的底部还形成有薄膜层；将所述第二导电材料层和所述第一导电材料层相互键合；以及，至少刻蚀所述第二导电材料层的所述梳齿区，并刻蚀停止于所述薄膜层以形成可动梳齿结构，所述可动梳齿结构中的各个梳齿的底部均固定在所述薄膜层上；以及，去除所述薄膜层。

可选的，所述薄膜层的厚度尺寸小于所述凹槽的深度尺寸。

可选的，键合所述第二导电材料层和所述第一导电材料层之后，还包括：在所述第二导电材料层上形成多个电极，所述多个电极中的至少部分电极用于和所述可动梳齿结构电性连接。

可选的，所述第一导电材料层中还形成有第一开口，以及在刻蚀所述第二导电材料层时还在所述第二导电材料层中形成第三开口，所述第三开口与所述第一开口连通以构成分隔口，多个所述电极之间通过所述分隔口相互电性隔离。

可选的，所述第一衬底还包括第一基底以及形成在所述第一基底和所述第一导电材料层之间的第一绝缘层。

可选的，及所述第一导电材料层中形成有第一空腔，在键合所述第一导电材料层和所述第二导电材料层后，所述梳齿区悬置在所述第一空腔上。

可选的，所述第二导电材料层还具有悬臂区，所述第一导电材料层中还形成有第二空腔和止挡件，在键合所述第一导电材料层和所述第二导电材料层后，所述第二空腔和所述止挡件均位于所述悬臂区的正下方。

可选的，所述第二衬底还包括第二基底和形成在所述第二基底和所述第二导电材料层之间的第二绝缘层；以及，在刻蚀所述第二导电材料层之前还包括：研磨所述第二基底以部分去除所述第二基底，再利用刻蚀工艺刻蚀剩余的第二基底，并刻蚀停止于所述第二绝缘层上，之后去除所述第二绝缘层以暴露出所述第二导电材料层。

可选的，刻蚀所述第二导电材料层以形成可动梳齿结构的方法包括：采用等离子刻蚀工艺刻蚀所述第二导电材料层。

本发明的又一目的在于提供一种惯性传感器，包括：衬底；第一导电材料层，形成在所述衬底上；第二导电材料层，直接键合在所述第一导电材料层上，以及所述第二导电材料层中形成有可动梳齿结构，所述可动梳齿结构靠近所述基底的端部相对于所述第二导电材料层的下表面内缩，以使所述可动梳齿结构悬空设置。

可选的，所述第一导电材料层中还形成有第一空腔，所述可动梳齿结构悬置在所述第一空腔的上方。

可选的，所述第二导电材料层还具有悬臂区，所述第一导电材料层中还形成有第二空腔和止挡件，所述第二空腔和所述止挡件均位于所述悬臂区的正下方。

在本发明提供的惯性传感器的形成方法中，通过在第二导电材料层的梳齿区中形成凹槽，从而使得形成在所述梳齿区中的可动梳齿结构能够间隔于所述第一导电材料层，并且在凹槽的底部还设置有薄膜层，该薄膜层可用于在对第二导电材料层进行刻蚀时实现刻蚀阻挡，使得对第二导电材料层的刻蚀可停止于所述薄膜层上，而不会对其下方的第一导电材料层造成损伤。并且，在刻蚀第二导电材料层以形成可动梳齿结构时，可动梳齿结构的各个梳齿的底部均固定在薄膜层上，避免了在刻蚀过程中由于梳齿发生扭转而导致梳齿的侧壁受到损伤。此外，本发明提供的形成方法中，可以设置厚度较小的薄膜层，因此在去除所述薄膜层时仅需要较小的刻蚀量，此时并不会对其他膜层造成大量侵蚀，有利于保障器件中的各个组件的稳定性。

附图说明

图1为本发明一实施例中的惯性传感器的形成方法的流程示意图。

图2~图8为本发明一实施例中的惯性传感器的形成方法在其制备过程中的结构示意图。

其中，附图记如下：210-第二基底；100-第一衬底；110-第一基底；120-第一绝缘层；130-第一导电材料层；130a-第一空腔；130b-第二空腔；130c-第一开口；131-止挡件；200-第二衬底；210-第二基底；220-第二绝缘层；230-第二导电材料层；230a-凹槽；240-薄膜层；400-电极；510-分隔口；600-封盖基板；610-封盖腔；700-键合密封环。

具体实施方式

承如背景技术所述，基于现有的惯性传感器的形成方法而制备出的惯性传感器，其可动梳齿结构的各个梳齿的侧壁容易产生有损伤。对此，本发明的发明人经过研究后发现，可动梳齿结构的梳齿侧壁之所以容易产生有损伤，其一个重要原因是：在对第二衬底进行刻蚀以形成可动梳齿结构的过程中，随着刻蚀的不断进行，可动梳齿结构的扭转空间得以释放，从而使得可动梳齿结构容易在刻蚀过程中发生扭转，此时即容易导致各个梳齿的侧壁受到刻蚀损伤。

为此，本发明提供了一种惯性传感器及其形成方法，所述形成方法包括如下步骤。

步骤s100，提供具有第一导电材料层的第一衬底和具有第二导电材料层的第二衬底，以及所述第二导电材料层在梳齿区的表面上形成有凹槽，并且在所述凹槽的底部还形成有薄膜层。

步骤s200，将所述第二导电材料层和所述第一导电材料层相互键合。

步骤s300，至少刻蚀所述第二导电材料层的所述梳齿区，并刻蚀停止于所述薄膜层以形成可动梳齿结构，所述可动梳齿结构中的各个梳齿的底部均固定在所述薄膜层上。

步骤s400，去除所述薄膜层。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的惯性传感器及其形成方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。以及，附图中所示的诸如“上方”，“下方”，“顶部”，“底部”，“上方”和“下方”之类的相对术语可用于描述彼此之间的各种组件的关系，这些相对术语旨在涵盖除附图中描绘的取向之外的元件之间的不同取向。例如，如果器件相对于附图中的视图是倒置的，则例如描述为在另一元件“上方”的元件现在将在该元件的下方。

本实施例中，所述惯性传感器的形成方法可包括如下所述的步骤s100~步骤s400。下面结合图1和图2~图8进行详细说明，其中图1为本发明一实施例中的惯性传感器的形成方法的流程示意图，图2~图8为本发明一实施例中的惯性传感器的形成方法在其制备过程中的结构示意图。

在步骤s100中，具体参考图2所示，提供具有第一导电材料层130的第一衬底100和具有第二导电材料层230的第二衬底200。

其中，所述第二导电材料层230在梳齿区a的表面上形成有凹槽230a，并在所述凹槽230a的底部形成有薄膜层240，所述薄膜层240的材料例如包括氧化硅，所述第二导电材料层230的梳齿区a用于制备可动梳齿结构。本实施例中，所述薄膜层240仅位于所述凹槽230a中，并且所述薄膜层240的厚度尺寸小于所述凹槽230a的深度尺寸，以使得所述薄膜层240的顶表面不高于所述第二导电材料层230的顶表面。例如，可使所述薄膜层240的厚度尺寸仅为凹槽230a的深度尺寸的一半等，以及所述凹槽230a的深度尺寸例如为05μm~1.5μm。

进一步的，所述第二导电材料层230还具有悬臂区b，所述梳齿区a位于所述悬臂区b的侧边，以及所述悬臂区b的部分即可构成惯性传感器的质量块。

进一步的，所述第一导电材料层130中还形成有第一空腔130a，所述第一空腔130a对应于所述第二导电材料层230的梳齿区a（即，在后续键合第一衬底100和第二衬底200后，所述第一空腔130a对准于所述梳齿区a）。以及，所述第一导电材料层130中还形成有第二空腔130b，所述第二空腔130b对应于所述第二导电材料层230的悬臂区b（即，在后续键合第一衬底100和第二衬底200后，所述第二空腔130b对准于所述悬臂区b），用于为所述悬臂区b提供振动空间。

更进一步的，所述第一导电材料层130中还可以设置有止挡件131，所述止挡件131对应于所述第二导电材料层230的悬臂区b，以用于限制所述悬臂区b的振动范围，避免悬臂区b振动过大而发生断裂等问题。具体的，在后续键合第一衬底100和第二衬底200后，所述止挡件131即位于所述悬臂区b的下方，本实施例中可进一步使所述止挡件131设置在所述第二空腔130b的边缘，以用于从所述悬臂区b的边缘进行止挡。更进一步的，所述止挡件131的顶表面不高于所述第一导电材料层130的顶表面。

继续参考图2所示，在所述第一导电材料层130中还形成多个第一开口130c，所述第一开口130c贯穿所述第一导电材料层130。所述第一开口130c用于构成分隔口。需要说明的是，所构成的多个分隔口中，还可以利用部分分隔口构成对位标记，以确保后续的图形化工艺的对准精度。此将在后续步骤中进行详细说明。

本实施例中，在所述第二导电材料层230对应于所述第一开口130c的位置上也形成有凹槽和薄膜层。

继续参考图2所示，本实施例中，所述第一衬底100还包括第一基底110，所述第一导电材料层130形成在所述第一基底110上。其中，所述第一导电材料层130的材料例如为离子掺杂后的硅材料，以及所述第一导电材料层130的阻值例如介于0.01ω~0.02ω。

此外，在形成所述第一导电材料层130之前，还可以在所述第一基底110上形成第一绝缘层120。以及，在形成所述第一绝缘层120之后，将所述第一导电材料层130形成在所述第一绝缘层120上，并且在刻蚀所述第一导电材料层120以进行图形化时，还可以以所述第一绝缘层120为刻蚀停止层。其中，所述第一绝缘层120的材料例如包括氧化硅。

继续参考图2所示，所述具有第二导电材料层230的第二衬底200，其可以为仅具有第二导电材料层以直接构成第二衬底；或者，如本实施例中，所述第二衬底200还包括第二基底210，以及所述第二导电材料层230形成在所述第二基底210上。

进一步的，在形成所述第二导电材料层230之前，在所述第二基底210上还形成有第二绝缘层220，以及在形成所述第二绝缘层220之后，将所述第二导电材料层230形成在所述第二绝缘层220上。其中，所述第二绝缘层220的材料例如包括氧化硅。

可选的方案中，所述第二导电材料层230的材料可以和所述第一导电材料层130的材料相同。本实施例中，所述第二导电材料层230的材料例如为离子掺杂后的硅材料，以及所述第二导电材料层230的阻值例如介于0.01ω~0.02ω。以及，与低电阻的第二导电材料层230相比，所述第二基底210具有较大的电阻值，例如所述第二基底210的阻值介于8ω~12ω。

在步骤s200中，具体参考图3所示，以所述第二导电材料层230面向所述第一导电材料层130的方向，键合所述第二衬底200和所述第一衬底100。

其中，在键合所述第二衬底200和所述第一衬底100时，具体为：将所述第一衬底100中的第一导电材料层130和第二衬底200中的第二导电材料层230相互键合。本实施例中，所述第一导电材料层130和所述第二导电材料层230均采用离子掺杂的硅材料形成，即相当于第一衬底100和所述第二衬底200之间以硅-硅直接键合，该键合工艺简单并且还具有较强的结合力。

其中，所述第二导电材料层230的梳齿区a对应于所述第一导电材料层130的第一空腔130a，因此，键合所述第一衬底100和所述第二衬底200后，所述凹槽230a即位于在所述第一空腔130a的上方。以及，所述第二导电材料层230的悬臂区b即位于所述第二空腔130b的上方。

后续工艺中，通过图形化所述第二导电材料层230以形成可动梳齿结构。而本实施例中，在所述第二导电材料层230上还具有第二绝缘层220和第二基底210，因此，在图形化第二导电材料层230之前，还包括：去除所述第二基底210和所述第二绝缘层220。

具体结合图3和图4所示，去除所述第二基底210和所述第二绝缘层220的方法可包括：首先，研磨所述第二基底210以部分去除所述第二基底210，再利用刻蚀工艺刻蚀剩余的第二基底210，并刻蚀停止于所述第二绝缘层220上，之后去除所述第二绝缘层220以暴露出所述第二导电材料层230。

具体而言，通过研磨工艺部分去除所述第二基底210，并保留部分第二基底210，此时即可有效缓解研磨工艺的机械应力作用在第二导电材料层230上，避免在所述第二导电材料层230中产生有隐裂。接着，再利用刻蚀工艺刻蚀剩余的第二基底210，并且在刻蚀剩余的第二基底210时还利用第二绝缘层220构成刻蚀停止层，从而可以在第二绝缘层220的保护下，避免对下方的第二导电材料层230造成损耗，有效保障了对第二导电材料层230其厚度的精确控制。进一步的，可以利用等离子刻蚀工艺刻蚀剩余的第二基底210，以提高对第二基底210的刻蚀精度。之后，可利用湿法刻蚀工艺去除所述第二绝缘层220，例如，所述第二绝缘层220的材料可包括氧化硅，则去除所述第二绝缘层220的湿法刻蚀工艺的刻蚀剂例如为氢氟酸溶液。

可选的方案中，在研磨所述第二基底210之前，还包括对第二基底210的边缘执行裁剪工艺（trim），以去除第二基底210的边缘部分，从而在后续对第二基底210执行研磨工艺时，即可避免减薄后的第二基底210的边缘部分悬空而容易发生断裂的问题。

在步骤s300中，具体参考图5和图6所示，至少刻蚀所述第二导电材料层230的所述梳齿区a，并刻蚀停止于所述薄膜层240以形成可动梳齿结构231，所述可动梳齿结构231中的各个梳齿的底部均固定在所述薄膜层240上。

具体的，可利用一第二掩模层定义出可动梳齿结构的图形，并基于所述第二掩模层刻蚀所述第二导电材料层230以形成可动梳齿结构231，其方法例如包括如下步骤。

第一步骤，参考图5所示，在所述第二导电材料层230上形成第二掩模层250，所述第二掩模层250中定义有可动梳齿结构的图形。

第二步骤，参考图6所示，以所述第二掩模层250为掩模刻蚀所述第二导电材料层230，以形成可动梳齿结构231，并且在刻蚀所述第二导电材料层230时，以所述薄膜层240作为刻蚀停止层以刻蚀停止于所述薄膜层240。具体的，刻蚀所述第二导电材料层230的方法例如是利用等离子刻蚀工艺刻蚀所述第二导电材料层230，以提高刻蚀精度。

需要说明的是，通过设置所述薄膜层240，一方面可用于实现刻蚀阻挡的作用，提高对所述第二导电材料层230的刻蚀过程的精确控制；另一方面，基于所述薄膜层240的阻挡下，还可以有效保护薄膜层240下方的膜层受到刻蚀损伤；此外还应当认识到，所形成的可动梳齿结构231中的各个梳齿的底部均是固定在所述薄膜层240上的，因此即使随着刻蚀过程的进行，可动梳齿结构231的扭转空间得以释放，然而由于各个梳齿均固定在所述薄膜层240上，使得各个梳齿不会随意扭转，避免了刻蚀过程中由于梳齿的扭转而对梳齿的侧壁造成损伤。尤其是，为了确保各个梳齿图形可以被完整精确的刻蚀出，则通常会增加一定的过刻蚀量，并可采用精度较高的等离子刻蚀工艺进行刻蚀，本实施例中，由于各个梳齿可以被所述薄膜层240稳定的固定，因此即使在较大的刻蚀量下，仍可以有效缓解等离子体对梳齿侧壁造成损伤。

进一步的，在图形化所述第二导电材料层230之前，还包括：在所述第二导电材料层230上形成多个电极400，所述多个电极400中的至少部分用于和所述可动梳齿结构231电性连接。具体而言，所述多个电极400中包括两个相互电性隔离的第一电极，所述两个第一电极分别与所述可动梳齿结构231中的两组梳齿电性连接。

更进一步的，所述多个电极400中还包括第二电极，所述第二电极用于和所述第二导电材料层230的悬臂区b电性连接。

本实施例中，多个所述电极400之间可利用分隔口510相互电性隔离。具体而言，通过所述分隔口510，可使多个电极中的第一电极和所述第二电极不会通过导电材料层（包括第一导电材料层130和第二导电材料层230）相互连接。

其中，所述分隔口510的形成方法可包括：在图形化所述第二导电材料层230时，还在所述第二导电材料层230中形成第三开口，所述第三开口的底部也停止于薄膜层上并位于第一导电材料层130的第一开口130c的上方，通过使第一开口130c和第三开口上下相互连通，以构成所述分隔口510，从而利用所述分隔口510分隔出多个相互分隔的电极。

应当认识到，基于版图限制，附图中仅示意性的示出了两个分隔口510，以及示意性的示出了两个电极400，然而应当认识到，用于连接不同组件的电极400之间是利用分隔口510电性隔离的。以及，可以通过其他的互连结构，实现所述第一电极电性连接至所述可动梳齿结构231，所述第二电极电性连接至所述悬臂区b。

在步骤s400中，具体参考图7所示，去除所述薄膜层240。本实施例中，还包括去除所述第二掩模层250。此时，所述可动梳齿结构231即悬置于所述第一空腔130a的上方。

如上所述，所述薄膜层240的厚度较薄，因此可以在较小的刻蚀量下即能够将所述薄膜层240消耗殆尽。具体的，可采用气相腐蚀剂侵蚀所述薄膜层240。本实施例中，采用气相氟化氢熏蒸腐蚀工艺（vhf）去除所述薄膜层240。相比于湿法刻蚀工艺而言，利用气相腐蚀剂侵蚀所述薄膜层240，可有效避免湿法刻蚀工艺中容易发生的由腐蚀液体导致相邻梳齿之间粘附和扭曲等问题。

此外，在可选的方案中，所述第一绝缘层120的材料可以和所述薄膜层240的材料相同（例如均包括氧化硅），进而在刻蚀所述薄膜层240时，会微量消耗所述第一绝缘层120。然而如上所述，在对薄膜层240的刻蚀量较小，因此并不会大量消耗第一绝缘层120，有利于保障第一绝缘层120对其上方膜层的稳固支撑。

进一步的方案中，具体参考图8所示，所述惯性传感器的形成方法还包括：在所述第二导电材料层230上键合一封盖基板600，所述封盖基板600朝向所述第二导电材料层230的表面上形成有封盖腔610，所述封盖腔610面对所述梳齿区a和所述悬臂区b。其中，多个电极400中的部分电极可以被封盖在所述封盖腔610之内，而另一部分电极可以位于所述封盖腔610之外以用于和外部电路电性连接。

继续参考图8所示，所述封盖基板600和所述第二导电材料层230之间具体可通过两个键合环相互键合。例如，在所述封盖基板600围绕所述封盖腔610的顶表面上形成第一键合环，以及在所述第二导电材料层230对应的位置上形成有第二键合环，并在键合时使第一键合环和第二键合环相互键合连接以形成键合密封环700。

在具体的实施方案中，所述第一键合环和所述第二键合环的其中一个键合环的材料为铝，另一个键合环的材料为锗，进而使所述第一键合环和所述第二键合环之间实现铝-锗键合。或者，在另一方案中，所述第一键合环和所述第二键合环的材料均为金，进而使所述第一键合环和所述第二键合环之间实现金-金键合。又或者，所述第一键合环和所述第二键合环的其中一个键合环的材料为金，另一个键合环的材料为硅，进而使所述第一键合环和所述第二键合环之间实现金-硅键合。

基于如上所述的形成方法，本实施例中还提供了一种惯性传感器，具体可参考图7和图8所示，所述惯性传感器包括：基底（即，图7所示的第一基底110）；形成在所述基底上的第一导电材料层130；直接键合在所述第一导电材料层130上的第二导电材料层230，所述第二导电材料层230中形成有可动梳齿结构231，所述可动梳齿结构231靠近所述基底的端部相对于所述第二导电材料层230的键合面内缩，以使所述可动梳齿结构231悬空设置。

其中，所述第一导电材料层130中还可形成有第一空腔130a，所述可动梳齿结构231悬置在所述第一空腔130a的上方。进一步的，所述第二导电材料层230还具有悬臂区b，所述第一导电材料层130中还形成有第二空腔130b和止挡件131，所述第二空腔130b和所述止挡件131均位于所述悬臂区b的正下方。本实施例中，所述止挡件131的顶表面还低于所述第一导电材料层130的键合面。

本实施例中，所述第一导电材料层130和第二导电材料层230之间例如是基于硅-硅键合工艺而直接键合的，其工艺简单且具有较强的结合力。

继续参考图7所示，所述惯性传感器还包括：形成在所述第二导电材料层230上且相互电性隔离的多个电极400。多个电极400中的一部分用于和所述可动梳齿结构231电性连接，多个电极400中还具有部分用于和所述悬臂区b电性连接。应当认识到，本实施例的附图中仅示意性的示出了两个电极400，然而在实际应用中，电极的数量、位置以及与对应组件的连接方式可根据具体状况对应调整。

进一步的，在所述第一导电材料层130和所述第二导电材料层230中还均形成上下相互连通的开口以构成分隔口510，并利用所述分隔口510使所述多个电极400相互电性隔离，进而可以各自独立的电性连接至对应的可动梳齿结构231和悬臂区b等。

应当认识到，由于所述可动梳齿结构231的端部是通过第二导电材料层230中的凹槽以实现内缩，进而使得可动梳齿结构231可悬空设置。相比于传统工艺中利用一间隔层实现悬空设置的可动梳齿结构，本实施例，不仅可以在保证可动梳齿结构231间隔于第二导电材料层的同时，还可以结合薄膜层进一步改善所形成的梳齿结构的品质。

需要说明的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，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内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

此外还应该认识到，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”和“一种”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。例如，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。以及，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此外，本发明实施例中的方法和/或设备的实现可包括手动、自动或组合地执行所选任务。