[發明專利]基于二維電子氣的MEMS高溫壓力傳感器及其制備方法

在審

• 申請號: 201711103665.5
• 申請日: 2017-11-10
• 公開（公告）號: CN107957304A
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: 張明亮;季安;王曉東;楊富華
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22;G01L9/06
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司11021
• 代理人: 任巖

技術領域

本發明屬于壓力測量領域，尤其涉及一種基于二維電子氣的MEMS高溫壓力傳感器及其制備方法。

背景技術

基于微機電系統(MEMS)的壓力傳感器，具有微型化、靈敏度高、穩定性好、功耗低、易集成、智能化等眾多突出的優勢，它是MEMS技術在傳感器領域應用最成功的器件之一。MEMS壓力傳感器已在工業自動控制、汽車、消費電子、醫療保健、生物化工等不同的領域得到了廣泛應用。目前，商業化的壓力傳感器主要利用硅的壓阻效應實現壓力敏感，盡管工藝成熟且性能優異，但受P-N結隔離耐溫限制，通常工作在100℃以下，遠不能滿足航空航天、石油化工、金屬冶煉等高溫惡劣環境下的壓力測量需要。超過125℃時，P-N結嚴重漏電，導致器件的精度變差，甚至失效。一般基于絕緣體上硅(SOI)的MEMS壓力傳感器使用溫度可以擴展到250℃。利用藍寶石上外延的多晶硅制作的壓力傳感器可以工作到350℃。基于SiC、金剛石薄膜、III-V化合物半導體的MEMS高溫壓力傳感器均有報道，各有優勢和不足，均處于初步研究階段。AlGaN/GaN的二維電子氣(2DEG)對應力非常靈敏，應力測量因子(GF，gauge factor，即單位應力引起的檢測量的變化)高達832。張應力下，AlGaN/GaN的2DEG通道電導率增加，壓應力下通道電導減小，是壓力傳感器中最優異的力敏換能單元之一。

氮化鎵(GaN)具有非常穩定的化學鍵，抗腐蝕，可應用在苛刻的工業環境中。它禁帶寬為3.4eV，使其在高溫下本征載流子濃度較低，例如，在350℃下單晶硅的本征載流子濃度已達1015cm^-3，而GaN中僅有107cm^-3。寬禁帶不僅抑制熱激發，還能有效抑制輻射激發，使其可用于強輻射環境中。在未特意摻雜GaN上外延一薄層(約30nm)AlGaN，由自發和壓電極化引起的能帶彎曲將一層2DEG限制在異質結界面處。實驗測量到的2DEG的面密度達1013cm^-2，電子遷移率達1500-2000cm²·V^-1·S^-1，遠超過傳統器件中溝道電子密度及遷移率，基于AlGaN/GaN的高電子遷移率晶體管(HEMT)有望被應用在高溫、高頻和大功率領域。基于AlGaN/GaN的HEMT在550℃下工作，性能沒有衰減。由于2DEG對表面電勢及應力變化非常敏感，AlGaN/GaN器件可用于多種高靈敏傳感器，如，PH值、粘度、壓強、位移、極性液體、氣體、生物分子等。基于高溫下的穩定性及對應力的敏感性，AlGaN/GaN 2DEG用于高溫壓力傳感器方面具有非常大潛力。

到目前為止，國內外還沒有報道將二維電子氣制作成壓敏電阻條，用于MEMS高溫壓力傳感器。

發明內容

(一)要解決的技術問題

現有的壓力測量芯片難于滿足苛刻的工業環境的需求，例如礦產開采、石油、化工、航空航天等領域。本發明提供了一種基于二維電子氣的MEMS高溫壓力傳感器及其制備工藝。本發明的壓力傳感器靈敏度高、穩定性強，可以滿足工業苛刻環境中的使用。

(二)技術方案

為達到上述目的，本發明提供一種基于二維電子氣的MEMS壓力傳感器及其制備方法。

一方面，本發明的基于二維電子氣的MEMS壓力傳感器包括：襯底和玻璃板，其中所述襯底的背面有一背腔，所述襯底的背面與所述玻璃板鍵合，所述背腔與所述襯底的正面之間的部分構成感壓薄膜，所述感壓薄膜上設置有二維電子氣層形成的壓敏電阻條，所述感壓薄膜和所述壓敏電阻條上設置有絕緣層，所述壓敏電阻條兩端的絕緣層被刻蝕形成電學接觸孔，所述壓敏電阻條兩端和所述電學接觸孔上沉積有第一金屬層，所述第一金屬層上設置有第二金屬層，所述第二金屬層形成電學互聯引線和壓焊塊。

另一方面，本發明的基于二維電子氣的MEMS壓力傳感器的制備方法包括：

步驟1：在正面具有二維電子氣層的襯底上進行光刻，定義壓敏電阻條的形狀和位置，通過刻蝕電學隔離二維電子氣層，形成壓敏電阻條；

步驟2：在所述襯底的正面生長絕緣層，用于鈍化保護所述壓敏電阻條；

步驟3：進行正面光刻，刻蝕所述絕緣層，在所述壓敏電阻條的兩端形成電學接觸孔；

步驟4：淀積第一金屬層，合金退火，使所述第一金屬層與所述壓敏電阻條形成歐姆接觸，所述第一金屬層為耐高溫金屬層；

步驟5：在所述第一金屬層上形成第二金屬層，用于形成電學互聯引線及壓焊塊；

步驟6：背面襯底減薄，再生長一掩膜層；