[發(fā)明專利]基于SOI技術(shù)的MEMS壓力傳感器芯片及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310635292.1
• 申請日: 2013-11-29
• 公開（公告）號: CN103604538B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 揣榮巖;王健;郭浩;趙豪
• 申請（專利權(quán)）人: 沈陽工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22;B81B3/00;B81C1/00
• 代理公司: 沈陽智龍專利事務(wù)所(普通合伙)21115
• 代理人: 宋鐵軍,周楠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明主要涉及基于SOI（絕緣襯底上的硅）技術(shù)的MEMS壓力傳感器及其制造方法，屬于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）領(lǐng)域。

背景技術(shù)

目前使用廣泛的半導(dǎo)體壓力傳感器是硅杯結(jié)構(gòu)擴(kuò)散硅壓力傳感器，這種傳感器的力敏電橋采用p型單晶硅應(yīng)變電阻, 彈性膜是在n型硅襯底上腐蝕硅杯而成, 電阻間以及電阻與彈性膜之間靠反偏pn結(jié)隔離, 當(dāng)工作溫度超過120℃時(shí), pn 結(jié)漏電流加劇, 使傳感器特性嚴(yán)重失效, 因而不適合在高溫條件下工作。如果采用介質(zhì)隔離可以提高傳感器的最高工作溫度達(dá)到200℃以上，SOI是在頂層硅和襯底硅之間引入二氧化硅埋層，頂層與襯底之間是介質(zhì)隔離，因此，SOI材料是制作高溫壓力傳感器的良好材料。

當(dāng)前，絕大多數(shù)SOI高溫壓力傳感器是將SOI頂層單晶硅薄膜制成四個(gè)單晶硅應(yīng)變電阻，并濺射金屬將應(yīng)變電阻連成惠斯通電橋，之后在對應(yīng)四個(gè)應(yīng)變電阻的適當(dāng)位置的單晶硅襯底背面制作硅杯結(jié)構(gòu)形成彈性膜片。由于采用硅杯結(jié)構(gòu)，傳感器體積較大，工藝與集成電路工藝不易兼容，不利于集成化。

為了克服硅杯結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，人們研制了表面微機(jī)械壓力傳感器。這種傳感器采用二氧化硅為犧牲層，多晶硅為彈性膜片，介質(zhì)隔離的多晶硅應(yīng)變電阻，具有體積小、工作溫度范圍寬和與集成電路工藝兼容有利于集成化的優(yōu)點(diǎn)。但由于使用多晶硅應(yīng)變電阻，傳感器的重復(fù)性和遲滯等性能較差。

本發(fā)明是在國家自然科學(xué)基金資助下（項(xiàng)目號61372019）完成的，旨在提出一種綜合單晶硅應(yīng)變電阻、犧牲層腔體結(jié)構(gòu)和介質(zhì)隔離等三方面優(yōu)點(diǎn)于一身的半導(dǎo)體壓力傳感器芯片的制造方法。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的

本發(fā)明是一種基于SOI技術(shù)的MEMS壓力傳感器芯片及其制造方法，目的是提高傳感器性能，有利于集成化，減小芯片面積，擴(kuò)大工作溫度范圍。

技術(shù)方案

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

一種基于SOI技術(shù)的MEMS壓力傳感器芯片，包括單晶硅襯底；特征在于：在單晶硅襯底的凹槽上設(shè)置平坦型彈性膜片；彈性膜片與單晶硅襯底凹槽構(gòu)成密閉空腔；在彈性膜片上面設(shè)有四個(gè)單晶硅應(yīng)變電阻，每個(gè)單晶硅應(yīng)變電阻之間以及單晶硅應(yīng)變電阻與彈性膜片之間采用氧化層隔離，四個(gè)單晶硅應(yīng)變電阻通過金屬導(dǎo)線連接成惠斯通電橋，將壓力轉(zhuǎn)換成電壓輸出；彈性膜片邊緣設(shè)置有腐蝕孔。

彈性膜片和四個(gè)單晶硅應(yīng)變電阻是采用SOI技術(shù)中的智能剝離法與MEMS犧牲層技術(shù)相結(jié)合制造而成。

密閉空腔中形成近似真空。

彈性膜片由多晶硅構(gòu)成，形狀為矩形或圓形。

單晶硅應(yīng)變電阻為單晶硅薄膜電阻。

一種如上所述的基于SOI技術(shù)的MEMS壓力傳感器芯片制造方法，其特征在于：工藝步驟如下：

（1）在單晶硅襯底上采用濕法腐蝕凹槽；

（2）在單晶硅襯底上淀積氧化層做為犧牲層，通過拋光使襯底平坦化，并去掉凹槽以外區(qū)域的氧化物；

（3）淀積第一層多晶硅并退火，刻蝕腐蝕孔；

（4）通過腐蝕孔，選擇性濕法刻蝕犧牲層并干燥；

（5）淀積第二層多晶硅，密封腐蝕孔，形成彈性膜片；

（6）采用SOI技術(shù)中的智能剝離法，將表面氧化后已注入氫離子層的單晶硅片與上述制備了彈性膜片的硅片接觸鍵合，之后低溫退火使注入的氫離子形成氣泡令硅片剝離，這樣在氧化層和氫離子層之間的單晶硅薄膜就留在彈性膜片上，最后通過拋光將這層單晶硅薄膜表面平坦化；

（7）在彈性膜片的單晶硅薄膜上擴(kuò)散或離子注入摻雜，并通過光刻形成四個(gè)單晶硅應(yīng)變電阻；

（8）單晶硅應(yīng)變電阻制成后淀積形成氧化層，刻引線孔后濺射金屬，光刻金屬層形成金屬導(dǎo)線，劃片完成傳感器芯片制造。

優(yōu)點(diǎn)及效果

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

本發(fā)明提供了一種基于SOI技術(shù)的MEMS壓力傳感器芯片及其制造方法，由于采用犧牲層結(jié)構(gòu)使傳感器易集成和小型化；采用單晶硅擴(kuò)散電阻使傳感器靈敏度高、重復(fù)性和穩(wěn)定性好；采用介質(zhì)隔離提高了傳感器工作溫度范圍。

附圖說明

圖1是本發(fā)明傳感器俯視圖；

圖2是本發(fā)明傳感器剖面圖；

圖3是本發(fā)明形成凹槽后的剖面圖；

圖4是本發(fā)明形成犧牲層平坦化后的剖面圖；

圖5是本發(fā)明形成腐蝕孔后的剖面圖；

圖6是本發(fā)明形去掉犧牲層后的剖面圖；

圖7是本發(fā)明形成第二層多晶硅并密封腔體后的剖面圖；

圖8是本發(fā)明鍵合工藝后裂片前的剖面圖；