[實用新型]基于犧牲層技術的SOI壓力敏感芯片

有效

• 申請號: 201620017149.5
• 申請日: 2016-01-08
• 公開（公告）號: CN205317381U
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發明（設計）人: 揣榮巖;衣暢;張曉民;關若飛;關艷霞;李新;劉一婷
• 申請（專利權）人: 沈陽工業大學
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22;B81B3/00;B81C1/00
• 代理公司: 沈陽智龍專利事務所(普通合伙) 21115
• 代理人: 周楠;宋鐵軍

技術領域

本實用新型主要涉及一種基于犧牲層技術的SOI壓力敏感芯片。屬于微機電系統（MEMS）領域。

背景技術

在信息技術不斷推動現代工業高速發展的背景下，MEMS傳感器備受關注，特別是MEMS壓力傳感器已被廣泛應用于工業生產、航空航天、電力石化等各行各業。目前擴散硅壓力傳感器仍是市場銷量最大的壓力傳感器，但這種壓阻式傳感器的工作溫度范圍一般不超過120℃，這是因為擴散硅壓力傳感器的應變電阻是以pn結作為隔離層實現其與襯底的電絕緣。而當工作溫度超過120℃時，硅材料由于本征激發，其pn結的反向漏電流迅速增大，所以一般不能在高于120℃的環境下進行壓力測量。而在現代工業生產、航空航天以及軍事活動中，高溫惡劣環境下的壓力測量必不可少，尤其是目前在汽車電子領域大量需要工作溫度超過150℃的壓力傳感器。正是在這種市場需求的背景下，本專利提出了基于犧牲層技術的SOI壓力敏感芯片及其制造方法，并得到了國家自然科學基金的資助（項目批準號61372019）。

SOI材料是在其頂層硅薄膜和襯底硅之間引入二氧化硅絕緣層，頂層與襯底之間實現了介質隔離，可以使傳感器的工作溫度達到300℃以上。因此，SOI材料是制作高溫壓力傳感器的良好材料。

當前，大多數SOI高溫壓力傳感器是將SOI頂層單晶硅薄膜制成4個應變電阻，并濺射金屬將應變電阻連成惠斯通電橋，之后在對應4個應變電阻的適當位置的晶圓背面制作硅杯結構形成彈性膜片。由于采用硅杯結構，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。

采用MEMS犧牲層技術制作的腔體克服了硅杯結構的上述缺點。這種犧牲層結構壓力傳感器通常采用二氧化硅為犧牲層，多晶硅為敏感膜片，介質隔離的多晶硅薄膜為應變電阻，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點。但由于使用多晶硅應變電阻，傳感器的重復性和遲滯等性能較差。

基于上述問題，本實用新型旨在提出一種綜合單晶硅應變電阻、犧牲層腔體結構和介質隔離等三方面優點于一身的半導體壓力傳感器芯片。

發明內容

發明目的：

本實用新型是一種基于犧牲層技術的SOI壓力敏感芯片。目的在于提高器件溫度特性、減小傳感器體積以及拓寬工作溫度范圍。

技術方案：

本實用新型通過以下技術方案實現：

基于犧牲層技術的SOI壓力敏感芯片，其特征在于：該芯片采用絕緣層上的單晶硅薄膜（SOI）材料制造，包括SOI的單晶硅襯底，SOI二氧化硅絕緣層作為犧牲層形成的腔體，在單晶硅薄膜上刻蝕隔離槽形成的四個應變電阻及其金屬導線；金屬導線上下的氮化硅絕緣保護層及兩次淀積形成的多晶硅結構層與單晶硅薄膜共同構成敏感芯片感壓膜，感壓膜邊緣刻蝕有八個方形腐蝕孔，用于腐蝕二氧化硅犧牲層；四個應變電阻通過金屬導線連接成惠斯通電橋，將壓力信號轉換成電壓信號輸出。

應變電阻由SOI材料上的單晶硅薄膜制成，通過隔離槽與單晶硅薄膜實現電隔離，位于多晶硅結構層內側。

優點及效果：

本實用新型有如下優點及有益效果：

本實用新型所述的基于犧牲層技術的SOI壓力敏感芯片采用單晶硅薄膜制作應變電阻，使傳感器靈敏度高、重復性和穩定性好；應變電阻位于多晶硅結構層內側，受到良好保護，提高了芯片的可靠性；采用介質隔離提高了傳感器工作溫度范圍。

附圖說明

圖1是本實用新型芯片平面示意圖。

圖2是本實用新型芯片AA＇剖面示意圖。

圖3是本實用新型芯片加工過程中第一次光刻后的示意圖，其中，圖3(a)是本實用新型芯片加工過程中第一次光刻后的平面示意圖；圖3(b)是本實用新型芯片加工過程中第一次光刻后的AA＇剖面示意圖。

圖4是本實用新型芯片加工過程中第二次光刻形成隔離槽后的AA＇剖面示意圖。

圖5是本實用新型芯片加工過程中淀積第一層氮化硅保護層后的AA＇剖面示意圖。

圖6是本實用新型芯片加工過程中第三次光刻形成引線孔后的AA＇剖面示意圖。

圖7是本實用新型芯片加工過程中第四次光刻形成金屬導線后的AA＇剖面示意圖。

圖8是本實用新型芯片加工過程中淀積第二層氮化硅保護層后的AA＇剖面示意圖。

圖9是本實用新型芯片加工過程中淀積第一層多晶硅結構層后的AA＇剖面示意圖。

圖10是本實用新型芯片加工過程中第五次光刻形成腐蝕孔后的BB＇剖面示意圖。