[發明專利]基于硅硅鍵合和絕緣層上硅的壓力傳感器芯片及方法

無效

• 申請號: 200810036215.3
• 申請日: 2008-04-18
• 公開（公告）號: CN101271028A
• 公開（公告）日: 2008-09-24
• 發明（設計）人: 武愛民;陳靜;王曦;魏星;張波;王曦
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18;B81B7/02;B81C1/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及一種基于硅硅鍵合技術和絕緣體上硅(SOI)的高靈敏低量程的壓力傳感器芯片及其制作方法，屬于傳感器芯片領域。

背景技術

硅基壓力傳感器作為商業化最為成功的微機電系統(MEMS)器件，過去幾十年在石油、航天、醫療器械以及汽車電子等領域都獲得了廣泛的應用和技術的改進。但是由于硅微機械加工技術制備的體硅壓力傳感器采用pn結作為電學隔離手段，在125℃以上的環境由于反向漏電流的增大而導致失效；普通壓力傳感器通常將應力膜的長寬比做得足夠大而獲得高的靈敏度，但是在低量程的應用上這種設計則會使得器件的線性特性惡化進而產生矛盾，這些都是硅壓力傳感器發展過程中遇到的一些問題。

采用SOI材料對于壓力傳感器高溫性能的改進可以起到顯著的作用，相對于傳統的體硅壓力傳感器，SOI壓力傳感器利用絕緣埋氧層隔離取代了pn結隔離，使得器件忍耐高溫的能力大大增強。此外，與多晶硅壓力傳感器相比，由于SOI的頂層是單晶硅材料，力學性能甚優于多晶硅壓力傳感器，靈敏度也能得到極大的提高。

對于高靈敏的壓力傳感器，一般通過將應力膜的尺寸和厚度的比值做的足夠大來獲得，然而當兩者的比例很大的時候得到的輸出信號與外加壓力不再是嚴格的線性曲線，這就是壓力傳感器的非線性問題。國內外學者對此曾提出過背島結構(M.Shimazoe等人發表在Sensors?and?Actuators，2(1982)275-282上的“A?special?silicon?diaphragm?pressure?sensor?with?high?output?andhigh?accuracy”一文”)、雙島結構(Endevco?Tech.Paper?Tp277中的“Basicadvantages?of?the?anisotropic?etched?transverse?gage?pressure?transducer.”一文)和梁-膜結構(Minhang?Bao發表在Sensors?and?Actuators?A，28(1991)，105-112上的“Stress?concentration?structure?with?front?beam?for?pressure?sensor”一文)等方案，都對器件線性度的提高非常有效。其中背島結構和雙島結構由于制作過程中的工藝參數控制要求非常苛刻，而且由于島結構存在于應力膜的背面不利于器件的小型化，因此并不適于大批量生產。其中梁-膜結構是一種有效的應力集中結構，其應力集中機理是梁和膜的厚度差異會將應力集中到梁上，又由于梁在不同區域寬度的不同，應力將被集中在梁的窄區內，這樣便可以在梁-膜不產生大位移即避免一部分非線性成因的前提下獲得高的靈敏度。但是同樣由于在制備過程中需要長時間的各向異性腐蝕來實現超薄的應力膜，這樣便難以保證膜的不同位置以及不同批次的膜之間的均勻性，因此對于大規模生產而言同樣存在局限性。

本發明試圖通過借鑒梁-膜結構應力集中的優點，但是并不采取長時間的各向異性腐蝕形成硅杯作為制作高靈敏的應力薄膜的工藝手段，而是通過預先腐蝕好的淺槽和倒扣的SOI片鍵合工藝，在SOI片原本的頂層硅上形成梁和膜的結構，這樣對制作工藝的要求降低，保證了器件的工藝穩定性以獲得更高的成品率。結合成熟的研磨和化學機械拋光技術，在SOI背面磨片拋光剩余的薄層單晶硅上制作與梁-膜絕緣隔離的力敏電阻，可同時解決高溫應用以及非線性問題，還能夠同時帶來工藝穩定性和器件微型化，通過調整預先腐蝕的淺槽的深度同樣可以實現過壓保護，進一步提高了器件的實用性。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于硅硅鍵合和SOI的MEMS高靈敏低量程壓力傳感器芯片及制作方法，不僅可將硅壓力傳感器的應用溫度范圍擴展到200℃以上，而且器件在高靈敏的前提下仍然能保持好的線性度，而采用硅硅鍵合技術使器件制備的工藝穩定性和可靠性更強，并能方便的實現器件的微型化和過壓保護。