CN104864988B - 硅岛膜结构的mems压力传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅岛膜结构的MEMS压力传感器及其制作方法，涉及压力传感器技术领域。本发明采用单片SOI材料制备压力传感器，芯片尺寸可以做到毫米量级，与相同规格的硅杯型压力传感器相比，晶圆上的管芯数有一个数量级上的提高；采用硅岛膜结构的传感模式，测量灵敏度提高；制备工艺简单，传感器成本大幅下降；利用SOI材料的第二硅层厚度误差小的特点制备传感膜，测量灵敏度、精度均有提高；双掩膜刻蚀方式避免了因一次刻蚀后形成大台阶而影响后续光刻工艺的光刻胶覆盖不上的问题，不仅可简化工艺，还为高深宽比刻蚀工艺提供了另一种解决办法；此外，本发明的压力传感器的压阻在绝缘层上形成，能够保证在300℃高温环境下正常工作。

Description

硅岛膜结构的MEMS压力传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，尤其涉及一种硅岛膜结构的MEMS压力传感器及其制作方法。

背景技术

MEMS硅压力传感器是目前工业生产中最为重要的一类传感器，广泛应用于汽车工业、航天工业、军事、医疗卫生等领域。目前，国内市场上的硅压力传感器的量程大都在10KPa以上，更低量程的产品主要依靠国外进口。

压阻式压力传感器是目前最为广泛的一类压力传感器，利用硅的良好的机械性能和电学性能，通过扩散或者离子注入的方法将力敏电阻注入到敏感薄膜中实现了感压元件和转换电路的集成。评测传感器的最重要的两个性能参数是灵敏度和线性度。对于传统的C型硅杯结构式压力传感器，周边固支的平膜作为敏感膜时，通常采用减薄敏感薄膜厚度来提高其感压能力，在减薄敏感薄膜的同时，薄膜表面的压力应力变换引起的非线性也会严重增大，因此，这种平膜结构不适合于低量程压力传感器，一般适用范围为中高量程。如专利名称为：压力传感器件及其制作方法，公开号是CN103837289A，公开日是2014年6月4日，所述压力传感器包括一中间设有空腔的多层SOI材料制备的压力传感器芯片和两端设有导通孔的正面玻璃和一用于应力匹配的背面玻璃，通过硅玻璃键合将三层连接在一起，其制作芯片的多层SOI材料成本昂贵，工艺复杂，适合于一些特殊场合使用。

为了解决这一问题，必须减小敏感薄膜的厚度以提高灵敏度，这就给器件的加工工艺提出了更高的要求。岛膜结构在相同的膜厚下可以获得比平膜结构更高的灵敏度。岛膜结构的芯片受压时，应力会高度集中于岛与边缘之间的沟槽区域，从而使灵敏度获得显著提高，而且它还可实现过压保护和非线性内补偿。此外，为了保证压力测试的频率响应输出，避免环境因素对测试的干扰，硅岛高度受到了严格控制，一般小于100μm，但这种结构的制备由于受到了高深宽比深槽结构上制备干法刻蚀掩膜层工艺的限制，大多采用各项异性体硅湿法腐蚀工艺制备岛膜结构，此工艺腐蚀后腔体侧壁与底部会形成大于90°的夹角，不利于缩小芯片面积，降低了硅片利用率，这也是岛膜结构压力传感器发展受到制约的一个重要原因。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种硅岛膜结构的MEMS压力传感器及其制作方法，所述传感器具有测量灵敏度高、精度高的特点，能够保证在300℃高温环境下正常工作，所述方法具有工艺简单，成本低的特点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种硅岛膜结构的MEMS压力传感器，其特征在于：所述传感器包括第二硅层，所述第二硅层的下表面设有硅岛膜结构，所述第二硅层的上表面设有第三绝缘层，所述第三绝缘层的上表面设有四个压阻，四个压阻通过金属布线进行互联构成惠斯通电桥，所述第三绝缘层的上表面设有引线孔。

进一步的技术方案在于：所述硅岛膜结构包括间隔设置的左硅岛膜组件、中间硅岛膜组件和右硅岛膜组件，左硅岛膜组件、中间硅岛膜组件和右硅岛膜组件从上到下为第二绝缘层和第一硅层，所述左硅岛膜组件和右硅岛膜组件的结构相同，所述左硅岛膜组件和右硅岛膜组件上的第一硅层的厚度大于中间硅岛膜组件上的第一硅层的厚度。

进一步的技术方案在于：所述左硅岛膜组件与中间硅岛膜组件之间以及中间硅岛膜组件与右硅岛膜组件之间形成间隔，所述压阻与上述间隔相对。

一种硅岛膜结构的MEMS压力传感器制作方法，其特征在于包括如下步骤：

1）在第一硅层的下表面覆盖或形成第一绝缘层，在第一硅层的上表面覆盖或形成第二绝缘层，在第二绝缘层的上表面覆盖或形成第二硅层，以上多层材料构成SOI材料；

2）在第二硅层的上表面覆盖或形成第三绝缘层；

3）在所述第三绝缘层的上表面覆盖或形成一层多晶硅薄膜，并对所述多晶硅薄膜进行高剂量的浓硼掺杂工艺，形成压阻层；

4）在形成的压阻层表面通过旋涂的方式涂覆一层光刻胶，并进行光刻工艺，对进行光刻工艺后的压阻层进行干法刻蚀工艺，去除光刻胶后形成四个压阻；

5）在压阻上溅射用于连接四个压阻的金属层，在上述器件的上表面通过化学气相沉积法淀积钝化层，用于保护器件；

6）利用光刻工艺和刻蚀工艺对钝化层进行刻蚀，刻蚀的终点为第三绝缘层的上表面，形成压阻的引线孔，将压阻的引线电极露出；

7）对第一绝缘层进行选择性刻蚀，刻蚀后的第一绝缘层形成用于刻蚀硅岛膜结构的第一掩膜层；

8）对选择性刻蚀后的第一绝缘层表面进行光刻胶涂覆，利用光刻工艺，形成用于刻蚀所述岛膜结构工艺进行时的第二掩膜层；

9）在形成用于刻蚀硅岛膜结构的两层掩膜层后，进行一次刻蚀工艺，刻蚀的深度为所要形成的硅岛膜结构的硅岛高度，刻蚀到设定深度后去除第二掩膜层；

10）进行另一次刻蚀工艺，刻蚀深度为步骤9）中刻蚀后的第一硅层剩余的厚度，直至刻蚀至第二绝缘层后停止刻蚀，然后去除剩余的第一绝缘层和压阻下的部分第二绝缘层，形成用于承压的硅岛膜结构，最终形成压力传感器。

进一步的技术方案在于：所述步骤2）中第三绝缘层通过热氧化或化学气相沉积法淀积在第二硅层的上表面。

进一步的技术方案在于：所述步骤3）中在第三绝缘层的上表面利用化学气相沉积法淀积多晶硅薄膜，并对所述多晶硅薄膜进行高剂量的浓硼掺杂工艺，所采用的工艺方法为离子注入工艺或高温扩散工艺，形成压阻层。

进一步的技术方案在于：所述步骤3）中浓硼掺杂浓度为：8Ω-100Ω/□。

进一步的技术方案在于：四个压阻在所述用于承压的硅岛膜结构的最大应力区，以感知最大形变量。

进一步的技术方案在于：第一硅层的厚度大于第二硅层的厚度。

进一步的技术方案在于：所述第二掩膜层为光刻胶层，绝缘层为氧化物或氮化物。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明采用单片SOI材料制备压力传感器，芯片尺寸可以做到1mm×1mm，与相同规格的硅杯型压力传感器相比，晶圆上的管芯数有一个数量级上的提高；采用硅岛膜结构的传感模式，测量灵敏度提高；制备工艺简单，传感器成本大幅下降；利用SOI材料device layer层（第二硅层）厚度误差小（膜厚误差在±0.5μm）的特点制备传感膜，测量灵敏度、精度均有提高；双掩膜刻蚀方式避免了因一次刻蚀后形成大台阶而影响后续光刻工艺的光刻胶覆盖不上的问题，不仅可简化工艺步骤，还为高深宽比刻蚀工艺提供了另一种解决办法；此外，本发明的压力传感器的压阻在绝缘层上形成，能够保证在300℃高温环境下正常工作，提高了所述传感器的使用范围。

附图说明

图1是本发明经过步骤1）后的结构示意图；

图2是本发明经过步骤2）后的结构示意图；

图3是本发明经过步骤3）后的结构示意图；

图4是本发明经过步骤4）后的结构示意图；

图5是本发明经过步骤5）后的结构示意图；

图6是本发明经过步骤6）后的结构示意图；

图7是本发明经过步骤7）后的结构示意图；

图8是本发明经过步骤8）后的结构示意图；

图9-10是本发明经过步骤9）后的结构示意图；

图11-12是本发明经过步骤10）后的结构示意图；

其中：1、第一绝缘层 2、第一硅层 3、第二绝缘层 4、第二硅层 5、第三绝缘层 6、压阻层 7、压阻 8、钝化层 9、引线孔 10、第一掩膜层 11、第二掩膜层。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图12所示，本发明公开了一种硅岛膜结构的MEMS压力传感器，所述传感器包括第二硅层4，所述第二硅层4的下表面设有硅岛膜结构，所述第二硅层4的上表面设有第三绝缘层5，所述第三绝缘层5的上表面设有四个压阻，四个压阻通过金属布线进行互联构成惠斯通电桥，所述第三绝缘层5的上表面设有引线孔9。所述硅岛膜结构包括间隔设置的左硅岛膜组件、中间硅岛膜组件和右硅岛膜组件，左硅岛膜组件、中间硅岛膜组件和右硅岛膜组件从上到下为第二绝缘层3和第一硅层2，所述左硅岛膜组件和右硅岛膜组件的结构相同，所述左硅岛膜组件和右硅岛膜组件上的第一硅层2的厚度大于中间硅岛膜组件上的第一硅层2的厚度。所述左硅岛膜组件与中间硅岛膜组件之间以及中间硅岛膜组件与右硅岛膜组件之间形成间隔，所述压阻7与上述间隔相对。

本发明还公开了一种硅岛膜结构的MEMS压力传感器制作方法，包括如下步骤：

1）在第一硅层2的下表面覆盖或形成第一绝缘层1，在第一硅层2的上表面覆盖或形成第二绝缘层3，在第二绝缘层3的上表面覆盖或形成第二硅层4，以上多层材料构成SOI材料，第一硅层2（SOI材料的handle layer层）的厚度大于第二硅层4（SOI材料的devicelayer层的厚度，如图1所示；

2）在第二硅层4的上表面覆盖或形成第三绝缘层5，进一步的，第三绝缘层5通过热氧化或化学气相沉积法淀积在第二硅层4的上表面，如图2所示；

3）在所述第三绝缘层5的上表面覆盖或形成一层多晶硅薄膜，并对所述多晶硅薄膜进行高剂量的浓硼掺杂工艺，形成压阻层6，进一步的，多晶硅薄膜通过化学气相沉积法淀积法形成于第三绝缘层5的上表面，采用离子注入工艺或高温扩散工艺对所述多晶硅薄膜进行高剂量的浓硼掺杂，浓硼掺杂浓度为：8Ω-100Ω/□（□表示单位面积），如图3所示；

4）在形成的压阻层表面通过旋涂的方式涂覆一层光刻胶，并进行光刻工艺，即通过光源对光刻胶有选择性的曝光，显影形成有图形的光刻胶图案；对进行光刻工艺后的压阻层进行干法刻蚀工艺，去除光刻胶后形成四个压阻7，压阻的数量可根据具体设计方案进行调整，本实施例中，压阻的数量为4个，四个压阻7在所述用于承压的硅岛膜结构的最大应力区，以感知最大形变量，如图4所示；

5）在压阻7上溅射用于连接四个压阻的金属层，在上述器件的上表面通过化学气相沉积法淀积钝化层8，用于保护器件，制备所述钝化层8的方法优先选用等离子化学气相沉积法进行制备，如图5所示；

6）利用光刻工艺和刻蚀工艺对钝化层8进行刻蚀，刻蚀的终点为第三绝缘层5的上表面，形成压阻7的引线孔9，将压阻7的引线电极露出，如图6所示；

7）对第一绝缘层1进行选择性刻蚀，刻蚀后的第一绝缘层形成用于刻蚀硅岛膜结构的第一掩膜层10，如图7所示；

8）对选择性刻蚀后的第一绝缘层1表面进行光刻胶涂覆，利用光刻工艺，形成用于刻蚀所述岛膜结构工艺进行时的第二掩膜层11，如图8所示；

9）在形成用于刻蚀硅岛膜结构的两层掩膜层后，进行一次刻蚀工艺，刻蚀的深度为所要形成的硅岛膜结构的硅岛高度，刻蚀到设定深度后去除第二掩膜层11，如图9-10所示；

10）进行另一次刻蚀工艺，刻蚀深度为步骤9）中刻蚀后的第一硅层2剩余的厚度，直至刻蚀至第二绝缘层3后停止刻蚀，然后去除剩余的第一绝缘层1和压阻下的部分第二绝缘层3，形成用于承压的硅岛膜结构，最终形成压力传感器，如图11-12所示。所述第二掩膜层11为光刻胶层，绝缘层为氧化物或氮化物。

本发明采用单片SOI材料制备压力传感器，芯片尺寸可以做到1mm×1mm，与相同规格的硅杯型压力传感器相比，晶圆上的管芯数有一个数量级上的提高；采用硅岛膜结构的传感模式，测量灵敏度提高；制备工艺简单，传感器成本大幅下降；利用SOI材料devicelayer（第二硅层）层厚度误差小（膜厚误差在±0.5μm）的特点制备传感膜，测量灵敏度、精度均有提高；双掩膜刻蚀方式避免了因一次刻蚀后形成大台阶而影响后续光刻工艺的光刻胶覆盖不上的问题，不仅可简化工艺步骤，还为高深宽比刻蚀工艺提供了另一种解决办法；此外，本发明的压力传感器的压阻在绝缘层上形成，能够保证在300℃高温环境下正常工作，提高了所述传感器的使用范围。

Claims (9)

1.一种硅岛膜结构的MEMS压力传感器，其特征在于：所述传感器包括第二硅层（4），所述第二硅层（4）的下表面设有硅岛膜结构，所述第二硅层（4）的上表面设有第三绝缘层（5），所述第三绝缘层（5）的上表面设有四个压阻，四个压阻通过金属布线进行互联构成惠斯通电桥，所述第三绝缘层（5）的上表面设有引线孔（9）；

所述硅岛膜结构包括间隔设置的左硅岛膜组件、中间硅岛膜组件和右硅岛膜组件，左硅岛膜组件、中间硅岛膜组件和右硅岛膜组件从上到下为第二绝缘层（3）和第一硅层（2），所述左硅岛膜组件和右硅岛膜组件的结构相同，所述左硅岛膜组件和右硅岛膜组件上的第一硅层（2）的厚度大于中间硅岛膜组件上的第一硅层（2）的厚度。

2.根据权利要求1所述的硅岛膜结构的MEMS压力传感器，其特征在于：所述左硅岛膜组件与中间硅岛膜组件之间以及中间硅岛膜组件与右硅岛膜组件之间形成间隔，所述压阻（7）与上述间隔相对。

3.一种硅岛膜结构的MEMS压力传感器制作方法，其特征在于包括如下步骤：

1）在第一硅层（2）的下表面覆盖或形成第一绝缘层（1），在第一硅层（2）的上表面覆盖或形成第二绝缘层（3），在第二绝缘层（3）的上表面覆盖或形成第二硅层（4），以上多层材料构成SOI材料；

2）在第二硅层（4）的上表面覆盖或形成第三绝缘层（5）；

3）在所述第三绝缘层（5）的上表面覆盖或形成一层多晶硅薄膜，并对所述多晶硅薄膜进行高剂量的浓硼掺杂工艺，形成压阻层（6）；

4）在形成的压阻层表面通过旋涂的方式涂覆一层光刻胶，并进行光刻工艺，对进行光刻工艺后的压阻层进行干法刻蚀工艺，去除光刻胶后形成四个压阻（7）；

5）在压阻（7）上溅射用于连接四个压阻的金属层，在上述步骤处理后的器件的上表面通过化学气相沉积法淀积钝化层（8），用于保护器件；

6）利用光刻工艺和刻蚀工艺对钝化层（8）进行刻蚀，刻蚀的终点为第三绝缘层（5）的上表面，形成压阻（7）的引线孔（9），将压阻（7）的引线电极露出；

7）对第一绝缘层（1）进行选择性刻蚀，刻蚀后的第一绝缘层形成用于刻蚀硅岛膜结构的第一掩膜层（10）；

8）对选择性刻蚀后的第一绝缘层（1）表面进行光刻胶涂覆，利用光刻工艺，形成用于刻蚀所述岛膜结构工艺进行时的第二掩膜层（11）；

9）在形成用于刻蚀硅岛膜结构的两层掩膜层后，进行一次刻蚀工艺，刻蚀的深度为所要形成的硅岛膜结构的硅岛高度，刻蚀到设定深度后去除第二掩膜层（11）；

10）进行另一次刻蚀工艺，刻蚀深度为步骤9）中刻蚀后的第一硅层（2）剩余的厚度，直至刻蚀至第二绝缘层（3）后停止刻蚀，然后去除剩余的第一绝缘层（1）和压阻下的部分第二绝缘层（3），形成用于承压的硅岛膜结构，最终形成压力传感器。

4.根据权利要求3所述的硅岛膜结构的MEMS压力传感器制作方法，其特征在于：所述步骤2）中第三绝缘层（5）通过热氧化或化学气相沉积法淀积在第二硅层（4）的上表面。

5.根据权利要求3所述的硅岛膜结构的MEMS压力传感器制作方法，其特征在于：所述步骤3）中在第三绝缘层（5）的上表面利用化学气相沉积法淀积多晶硅薄膜，并对所述多晶硅薄膜进行高剂量的浓硼掺杂工艺，所采用的工艺方法为离子注入工艺或高温扩散工艺，形成压阻层。

6.根据权利要求3所述的硅岛膜结构的MEMS压力传感器制作方法，其特征在于：所述步骤3）中浓硼掺杂浓度为：8Ω-100Ω/□。

7.根据权利要求3所述的硅岛膜结构的MEMS压力传感器制作方法，其特征在于：四个压阻（7）在所述用于承压的硅岛膜结构的最大应力区，以感知最大形变量。

8.根据权利要求3所述的硅岛膜结构的MEMS压力传感器制作方法，其特征在于：第一硅层（2）的厚度大于第二硅层（4）的厚度。

9.根据权利要求3所述的硅岛膜结构的MEMS压力传感器制作方法，其特征在于：所述第二掩膜层（11）为光刻胶层，绝缘层为氧化物或氮化物。