一种传感器的形貌控制方法及其应用

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种传感器的形貌控制方法及其应用。

背景技术

带有梳齿结构的惯性传感器的结构制造工艺可以很好的兼容常规的集成电路制造工艺，因而受到广泛关注，常见的带有梳齿结构的惯性传感器包括梳齿结构电容式加速度传感器。

带有梳齿结构的惯性传感器的结构制作通常是通过晶圆直接键合的方式将一片硅片与另一片带有空腔结构的硅片键合成一体，然后在空腔结构上方通过深硅刻蚀的方式将上层硅片刻穿形成梳齿结构。如图1所示，梳齿结构分为可动齿和固定齿。梳齿的宽度以及梳齿与梳齿之间间距是设计的固定值。如图2所示，理想化的梳齿结构具有垂直、平整的形貌，梳齿结构的形貌对于惯性传感器的性能有至关重要的作用。

在上层硅片通过深硅刻蚀工艺逐步刻蚀的过程中，可动齿的活动空间被逐步释放。由于晶圆级刻蚀工艺的刻蚀速率特性要求有过度刻蚀的时间来保证整体晶圆的刻蚀效果。当活动空间被释放后，刻蚀工艺仍然需要继续一段时间。如图3所示，在此过刻蚀时间内，可动齿由于受自身重力以及内部静电力的作用会产生倾斜，从而把可动齿的侧面暴露在刻蚀等离子体的轰击范围内而造成结构的损伤。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的一个方面，涉及一种传感器的形貌控制方法，包括以下步骤：

(a)提供一第一硅片，于所述第一硅片上的设定位置依次进行浅槽刻蚀和深槽刻蚀，所述深槽刻蚀的区域部分覆盖所述浅槽刻蚀的区域，使得在所述第一硅片上形成上方具有开口、内部具有A立柱和B立柱的腔体结构；所述A立柱的高度小于所述B立柱的高度；

(b)在所述第一硅片的上表面形成一氧化层；

(c)提供一第二硅片，将所述第一硅片与所述第二硅片通过所述氧化层进行键合，并将所述第二硅片减薄至预设厚度；

(d)深硅刻蚀所述第二硅片形成可动齿和气体引入开口，所述可动齿的间隙暴露位于所述B立柱的上表面的所述氧化层，所述气体引入开口位于所述A立柱远离所述B立柱的一侧；

(e)通过所述可动齿的间隙和所述气体引入开口通入刻蚀气体刻蚀位于所述B立柱的上表面的所述氧化层以释放所述可动齿。

所述的传感器的形貌控制方法，能够在避免可动结构侧壁损伤的前提下，克服键合3D结构氧化层残留问题，对氧化层的刻蚀工艺有较大的冗余度，确保器件的性能可靠；增加了缓冲阻止桩后，改善了器件抗冲击性能，可靠性进一步提升。

本发明的另一个方面，还涉及一种惯性传感器的制备方法，包括所述的传感器的形貌控制方法。

所述的惯性传感器的制备方法制备得到的惯性传感器，性能可靠，梳齿结构形貌良好，灵敏度高，抗冲击性能高。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的传感器的形貌控制方法，能够在避免可动结构侧壁损伤的前提下，克服键合3D结构氧化层残留问题，对氧化层的刻蚀工艺有较大的冗余度，确保器件的性能可靠；增加了缓冲阻止桩后，改善了器件抗冲击性能，可靠性进一步提升。

(2)本发明提供的惯性传感器的制备方法，制备得到的惯性传感器，性能可靠，梳齿结构形貌良好，灵敏度高，抗冲击性能高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有梳齿式电容加速度传感器的梳齿结构的俯视示意图；

图2为理想化的梳齿结构的示意图；

图3为受损梳齿结构的示意图；

图4为本发明浅槽刻蚀的示意图；

图5为本发明深槽刻蚀的刻蚀位置的示意图；

图6为本发明深槽刻蚀的刻蚀位置的俯视示意图；

图7为本发明刻蚀形成深槽的示意图；

图8为本发明生长氧化层的示意图；

图9为本发明第一硅片和第二硅片键合的示意图；

图10为本发明刻蚀第二硅片的示意图；

图11为本发明清除氧化层时气体走向的示意图；

图12为本发明清除氧化层后的示意图。

附图标记：

1-可动齿、2-齿枢、3-浅槽、4-第一硅片、5-气体引入开口、6-A立柱、7-B立柱、8-氧化层、9-第二硅片。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明的一个方面，涉及一种传感器的形貌控制方法，包括以下步骤：

(a)提供一第一硅片4，于所述第一硅片4上的设定位置依次进行浅槽刻蚀(如图4所示)和深槽刻蚀(如图5、图6和图7所示，深槽刻蚀的刻蚀部分如图上阴影部分所示)，所述深槽刻蚀的区域部分覆盖所述浅槽刻蚀的区域，使得在所述第一硅片4上形成上方具有开口、内部具有A立柱6和B立柱7的腔体结构，所述A立柱6的高度小于所述B立柱7的高度；

(b)在所述第一硅片4的上表面形成一氧化层8(如图8所示)；

(c)提供一第二硅片9，将所述第一硅片4与所述第二硅片9通过所述氧化层8进行键合，并将所述第二硅片9减薄至预设厚度(如图9所示)；

(d)深硅刻蚀所述第二硅片9形成可动齿1和气体引入开口5，所述可动齿1的间隙暴露位于所述B立柱7的上表面的所述氧化层8，所述气体引入开口5位于所述A立柱6远离所述B立柱7的一侧(如图10所示)；

(d)通过所述可动齿1的间隙和所述气体引入开口5通入刻蚀气体刻蚀位于所述B立柱7的上表面的所述氧化层8以释放所述可动齿1(如图12所示)。

基于上述传感器的形貌控制方法，在第一硅片4与第二硅片9通过氧化层8键合的同时，B立柱7的上表面也通过氧化层8与第二硅片9的对应区域锚定，也即，B立柱7起到固定锚的作用，用于防止深硅刻蚀过程中可动齿1发生倾斜，从而改善可动齿1的形貌。另外，可动齿1的间隙构成的刻蚀气体引入空间较小，仅通过可动齿1的间隙较难引入足够的刻蚀气体，从而存在B立柱7上表面的氧化层8刻蚀不完全，残留氧化层8与可动齿1存在粘连的风险。通过在A立柱6远离B立柱7的一侧设置气体引入开口5，可以引入足够的刻蚀气体，且A立柱6和第二硅片9之间的间隙有助于引导刻蚀气体流向B立柱7，从而解决了氧化层8残留的问题，确保可动齿1得以释放。

下面对于上述传感器的形貌控制方法进行更加清楚的说明。

如图4所示，通过浅槽刻蚀形成浅槽3，浅槽3的深度为D。如图5-图7所示，在浅槽刻蚀的基础上进一步进行深槽刻蚀，深槽刻蚀的区域部分覆盖浅槽刻蚀的区域。这样，通过依次进行浅槽刻蚀和深槽刻蚀形成了高度不同的A立柱6和B立柱7，并且A立柱6的高度小于B立柱7的高度。具体地，A立柱6的上表面到第一硅片4的上表面的距离等于浅槽3的深度，B立柱7的上表面与第一硅片4的上表面齐平，即，A立柱6和B立柱7的高度差为浅槽3的深度。

B立柱7通过其上表面的氧化层8，在深硅刻蚀形成可动齿1的过程中，对可动齿1起到固定锚的作用，防止可动齿1在自身重力或者内部静电力的作用下产生倾斜，从而避免可动齿1的侧面产生损伤。

由于A立柱6的高度小于B立柱7的高度，因此，A立柱6和第二硅片9之间存在间隙，通过气体引入开口5进入的刻蚀气体，可在该间隙的引导下流向B立柱7，充分刻蚀B立柱7上表面的氧化层8，从而释放可动齿1。A立柱6除了在与第二硅片9的配合下起到引导刻蚀气体的作用外，A立柱6本身还起到阻挡缓冲的作用。具体地，如图1所示，正常状态下，可动齿1感测到对应的外部运动时，在平面内沿左右方向运动，但是，可动齿1可能在不期望的外力作用下或者在自身惯性作用下，产生平面外的运动，此时A立柱6可以起到阻挡缓冲的作用，防止可动齿1因产生较大的振幅而产生损坏。浅槽3的深度决定了A立柱6与可动齿1所在的可动结构在竖直方向之间的间隙，间隙太大导致起不到阻挡缓冲的作用，间隙太小则约束了可动结构的活动空间。基于此，对于浅槽3的深度进行了统筹设计，优选地，浅槽3的深度为0.5～5μm(例如0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm)。

A立柱6和B立柱7的高度差为浅槽3的深度，因此，优选地，A立柱6和B立柱7的高度差为0.5～5μm(例如0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm)。

结合图1和图12，深硅刻蚀第二硅片9形成可动齿1时，第二硅片9上与可动齿1连接的部分构成齿枢2。即，可动齿1的一端与齿枢2连接，另一端为自由端。可动齿1在不期望的外力作用下或者在自身惯性作用下，可动齿1与齿枢2连接的一端产生的振动幅度较小，可动齿1的自由端产生的振动幅度较大，基于此，B立柱7靠近可动齿1的齿枢2，A立柱6靠近可动齿1相对远离齿枢2的一端，以确保A立柱6、B立柱7不会影响可动齿1正常运动的同时，A立柱6能够在可动齿1发生振动时及时对可动齿1起到阻挡缓冲作用。

优选地，采用深硅刻蚀工艺进行浅槽刻蚀。

优选地，采用深硅刻蚀工艺进行深槽刻蚀。

浅槽刻蚀和深槽刻蚀均可采用深硅刻蚀工艺，且可采用同种型号设备，由此，可有利于减少设备种类的投入，有利于降低生产成本。

结合图10-图12，设置有气体引入开口5，以及A立柱6和第二硅片9之间的间隙，气体引入开口5与第一硅片4的腔体结构连通，提供了供刻蚀气体进入的空间，且A立柱6和第二硅片9之间的间隙有利于将刻蚀气体引导至B立柱7上的氧化层8，从而有利于将B立柱7上的氧化层8刻蚀干净，从而释放可动齿1。而B立柱7上方本身只有可动齿1之间的间隙，间隙较小，较难供刻蚀气体进入。清除氧化层8时气体的走向如图11所示，图中箭头为刻蚀气体的走向。

为了避免刻蚀气体对于氧化层8的刻蚀影响键合强度，第一硅片4和第二硅片9的键合区域的尺寸大于实际所需键合尺寸，超出的部分作为刻蚀缓冲区，从而保证第一硅片4和第二硅片9的键合强度达到要求。

优选地，氧化层8的厚度为0.9～1.1μm(例如0.9μm、1.0μm或1.1μm)，可以确保键合强度的同时，也有利于刻蚀去除B立柱7上的氧化层8。

优选地，氧化层8包括二氧化硅层。

优选地，采用VHF(气态的氢氟酸)刻蚀氧化层8。刻蚀气体采用VHF可以在对期望区域的氧化层8进行刻蚀的同时，对于键合区域的影响较小，键合区域留有一定的刻蚀缓冲区即可。

优选地，通过低压化学气相沉积工艺形成氧化层8。采用该方法生长的氧化层8台阶覆盖性好、均匀性好、材质致密、键合质量高。

本发明的另一个方面，涉及一种惯性传感器的制备方法，包括所述的传感器的形貌控制方法。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。