CN105000529B - 一种基于mems工艺的压力传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于MEMS工艺的多压力形式压力传感器芯片及其制备方法,所述压力传感器芯片在制备过程由表面微机械加工工艺决定产品量程,对于相同的表面工艺,可选择是否需要后工序,以分别制作密封表压、表压和绝压压力传感器芯片;对于高量程产品,芯片尺寸可以做到0.6mm;压敏电阻采用多晶硅电阻,具有低温漂和耐高温特性;敏感膜上设计质量块,可防止释放粘连现象,同时可提高压力传感器过载能力,质量块位于压敏电阻应力匹配区域,可提高压力传感器灵敏度和线性度。本发明涉及的基于MEMS工艺的压力传感器芯片工艺简单、芯片尺寸小、成本低、生产效率高、温度特性好、耐静电击穿能力强、可用于各种耐高温领域。

Description

一种基于MEMS工艺的压力传感器芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及MEMS设计和半导体加工领域,具体为一种基于MEMS工艺的多压力形式压力传感器芯片及其制备方法。
背景技术
中国产业信息网发布的《2014-2019年中国传感器市场深度调查及投资前景评估询报告》指出:近年来,全球传感器市场一直保持快速增长,2009年和2010年增长速度达20%以上,2011年受全球经济下滑的影响,传感器市场增速比2010年下滑5%,市场规模为828亿美元。随着全球市场的逐步复苏,2012年全球传感器市场规模已达到952亿美元,2013年约为1055亿美元。未来,随着经济环境的持续好转,市场对传感器的需求将不断增多,据预测,未来几年全球传感器市场将保持20%以上的增长速度,2015年市场规模将突破1500亿美元。而目前来看,流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大,其中,压力传感器占到市场份额的18%左右。
硅压阻式压力传感器是压力传感器的一种,目前大多数硅压阻式压力传感器都采用MEMS体微机械加工工艺制备,即在硅片表面通过氧化、光刻、离子注入等平面IC工艺制备出压力敏感电阻与金属互连引线后,从硅片背面进行各向异性湿法腐蚀,通过调整腐蚀速率及时间来控制压力敏感膜的厚度,腐蚀完成后需用玻璃进行键合,作为芯片的支撑结构。采用上述工艺制备的压力传感器压力敏感膜的厚度均匀性差,芯片体积大,成品率低、性能不稳定、成本高。
本发明涉及的压力传感器采用表面微机械加工工艺制备,可避免体硅深刻蚀即可制备密封表压压力传感器芯片,加上ICP和硅-玻璃键合工艺可在同一设计上实现表压和绝压芯片的制备;采用LPCVD淀积的多晶硅作为压敏电阻,可提高工作温度范围。本发明涉及的压力传感器工艺实现上更加简单,利于传感器与后续信号检测电路的集成,实现机电一体化,且有助于传感器成本的降低。
发明内容
本发明提供了一种基于MEMS工艺的多压力形式压力传感器芯片及其制备方法,同一套版图可同时实现密封表压、表压和绝压三种压力形式的芯片制备;4层复合膜通过适当的膜厚匹配和退火处理,可降低压力敏感膜的残余应力;敏感膜上制备质量块,防止释放粘连现象,并提高传感器过载能力和线性度;多晶硅电阻制作在复合膜的顶层氮化硅上,氮化硅可起到屏蔽带电离子的作用,并形成SOI结构,提高了芯片的工作温度范围。
具体地,本发明的技术方案如下:
一种基于MEMS工艺压力传感器芯片,其特征在于:包括多层压力敏感膜,形成该多层压力敏感膜上方的压敏电阻11,所述压敏电阻11形成惠斯通电桥结构;形成在所述多层压力敏感膜下方的质量块6,该质量块防止粘连现象,并提高所述压力传感器的过载能力和线性度。
进一步地,所述的多层压力敏感膜包括氮化硅层5、多晶硅层8、氧化硅层9、氮化硅绝缘层10。
进一步地,还包括形成在压敏电阻11上的互连12。
进一步地,还包括形成在所述压敏电阻11表面的保护层。
进一步地,还包括键合在衬底硅片1背面的玻璃片14。
本发明还提出一种基于MEMS工艺的压力传感器芯片制造方法,包括以下步骤:
(1)在衬底上腐蚀出压力参考腔2;
(2)淀积牺牲层3,所述牺牲层3覆盖所述压力参考腔2;
(3)在牺牲层3上刻蚀半孔4;
(4)在牺牲层3上沉积氮化硅层5,所述氮化硅填满牺牲层上半孔4,以形成质量块6;
(5)释放牺牲层3;
(6)在氮化硅层5上沉积多晶硅层8、氧化硅层9、氮化硅绝缘层10,以构成多层压力敏感膜;
(7)沉积多晶硅薄膜,离子注入掺杂,并刻蚀出压敏电阻11,形成惠斯通电桥结构;
(8)制备互连引线12。
进一步地,在步骤(1)之前,还包括依据压力传感器量程要求确定芯片及压力敏感膜尺寸,采用有限元分析软件确定多层复合膜的应力分布,布置多晶电阻及质量块位置的步骤。
进一步地,所述腐蚀出压力参考腔2包括对P型或N型抛光硅片1进行氧化,光刻并湿法腐蚀出6-8um左右深度的浅硅杯。
进一步地,所述半孔4包括多个,具有2-4微米的深度、1-2微米的孔径。
进一步地,还包括在衬底背面键合玻璃片14,以形成绝压压力传感器芯片。
附图说明
图1为本发明其中一实施例涉及的基于MEMS工艺的多压力形式压力传感器芯片密封表压型截面图;
图2为本发明其中一实施例涉及的基于MEMS工艺的多压力形式压力传感器芯片表压截面图;
图3为为本发明其中一实施例涉及的基于MEMS工艺的多压力形式压力传感器芯片绝压截面图;
图4为本发明其中一实施例涉及的基于MEMS工艺的多压力形式压力传感器芯片及其制备方法工艺流程图。
其中:1为P型或N型衬底硅片,2为浅硅杯,3为PSG牺牲层,4为半孔,5为氮化硅层,6为氮化硅质量块,7为牺牲层释放通孔,8为多晶硅,9为热氧化层,10为氮化硅绝缘层,11为多晶电阻,12为金属互连,13为表压芯片压力参考腔,14为键合玻璃片。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案,下面结合附图1-4进行详细描述本发明的具体实施方式。
实施例1
本发明提出一种密封表压MEMS压力传感器芯片,参见图1,包括P型或N型衬底硅片1,形成在衬底硅片1上的浅硅杯2,该浅硅杯2的深度为6-8微米,浅硅杯2中沉积有牺牲层3、例如为PSG牺牲层,牺牲层3释放后形成压力参考腔。该压力传感器芯片包括4层复合膜形成的压力敏感膜,该复合膜包括氮化硅膜5、多晶硅膜8、热氧化膜9、氮化硅绝缘层10,在压力敏感膜朝向浅硅杯一侧,形成有多个质量块6;质量块6的设计有利于防止释放粘连现象,质量块位于压敏电阻应力匹配区域,可提高压力传感器灵敏度和线性度;在复合膜的顶层氮化硅绝缘层10上制备多晶硅电阻层,并经离子注入、刻蚀形成多晶硅压敏电阻11,以形成惠斯通电桥结构。压敏电阻分布在压力敏感膜上张应力与压应力的对称区域;多晶硅电阻制作在复合膜的顶层氮化硅上,氮化硅可以起到屏蔽带电离子的作用,并形成SOI结构,提高了芯片的工作温度范围。还包括离子注入形成欧姆接触浓硼区,淀积金属互连引线12。还包括形成在多晶硅压敏电阻11表面的钝化保护层。
实施例2
本发明提出一种表压MEMS压力传感器芯片,参见图2,与实施例1相同的结构和部件不再赘述,区别在于:通过ICP深刻蚀工艺,在衬底硅片1上形成表压芯片压力参考腔13,制备表压压力传感器芯片,其中:氮化硅4为ICP刻蚀阻挡层,实现腐蚀自停止。
实施例3
本发明提出一种绝压MEMS真空压力传感器芯片,参见图3,在表压芯片的基础上进行硅-玻璃键合工艺,键合玻璃14至衬底硅片1,形成绝压真空压力参考腔13,可完成绝压压力传感器芯片的制备。与实施例1、2相同的结构和部件不再赘述。
实施例4
针对实施例1-3的MEMS压力传感器芯片,本实施例给出其制备方法,参见图4,本发明提出的基于MEMS工艺的多压力形式压力传感器芯片及其制备方法包括以下步骤:
(1)依据压力传感器量程要求确定芯片及压力敏感膜尺寸,采用有限元分析软件确定多层复合膜的应力分布,布置多晶电阻及质量块;
(2)P型或N型抛光硅片1进行氧化,光刻并湿法腐蚀出6-8um左右深度的浅硅杯2,作为压力传感器的压力参考腔;
(3)淀积PSG牺牲层3,牺牲层覆盖浅硅杯2,并高出浅硅杯1um左右的厚度;
(4)牺牲层3上刻蚀半孔4;该半孔的刻蚀深度为2-4微米,孔径为1-2微米;
(5)牺牲层上PECVD氮化硅层5,氮化硅填满牺牲层半孔4,形成质量块6,并对氮化硅刻蚀形成释放通孔7;其中刻蚀方法例如为干法刻蚀,孔径大约3-4微米;
(6)采用湿法或干法HF释放牺牲层3,释放出压力传感器的密封参考腔2;
(7)LPCVD多晶硅8,热氧化生成氧化硅9,再通过PECVD工艺淀积氮化硅绝缘层10,形成压力传感器的敏感膜,封闭释放通孔7以形成压力参考腔,并1000-1100℃退火释放薄膜应力;其中第一氮化硅膜5、多晶硅膜8、氧化硅膜9、第二氮化硅膜10的厚度之比为1~2:0.5~1.5:4~8:1~2,优选为1.5:1:6:1.5;厚度由压力传感器芯片的量程决定;
(8)LPCVD多晶硅薄膜,离子注入进行掺杂,刻蚀出压敏电阻11,形成惠斯通电桥结构;
(9)离子注入形成欧姆接触浓硼区,淀积金属互连引线12,测试、切割后完成密封表压压力传感器芯片的制备。
对于表压压力传感器芯片,还包括以下步骤:
通过ICP深刻蚀工艺,第一氮化硅膜5为ICP刻蚀阻挡层,实现腐蚀自停止,形成表压芯片压力参考腔13。
对于绝压真空压力传感器芯片,进一步地包括以下步骤:
在表压芯片的基础上进行硅-玻璃键合工艺,将玻璃片14键合到衬底硅片1上,形成绝压真空压力参考腔,可完成绝压压力传感器芯片的制备。
需要说明的是,上述实施例属于优选实施例,所涉及的模块并不一定是本申请所必须的。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上对本申请进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本申请的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (5)

1.一种基于MEMS工艺的压力传感器芯片制造方法,包括以下步骤:
(1)在衬底上腐蚀出压力参考腔(2);
(2)淀积牺牲层(3),所述牺牲层(3)覆盖所述压力参考腔(2);
(3)在牺牲层(3)上刻蚀半孔(4);
(4)在牺牲层(3)上沉积第一氮化硅层(5),所述第一氮化硅层填满牺牲层上半孔(4),以形成质量块(6);
(5)释放牺牲层(3);
(6)在第一氮化硅层(5)上沉积多晶硅层(8)、氧化硅层(9)、第二氮化硅层(10),以构成多层压力敏感膜;
(7)沉积多晶硅薄膜,离子注入掺杂,并刻蚀出压敏电阻(11),形成惠斯通电桥结构;
(8)制备互连引线(12)。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的压力传感器芯片制造方法,其特征在于:在步骤(1)之前,还包括依据压力传感器量程要求确定芯片及压力敏感膜尺寸,采用有限元分析软件确定多层复合膜的应力分布,布置多晶电阻及质量块位置的步骤。
3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的压力传感器芯片制造方法,其特征在于:所述腐蚀出压力参考腔(2)包括对P型或N型抛光硅片(1)进行氧化,光刻并湿法腐蚀出6-8um深度的浅硅杯。
4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的压力传感器芯片制造方法,其特征在于:所述半孔(4)包括多个,具有2-4微米的深度、1-2微米的孔径。
5.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的压力传感器芯片制造方法,其特征在于:还包括在衬底背面键合玻璃片(14),以形成绝压压力传感器芯片。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108318218B (zh) * 2018-05-14 2024-01-16 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 一种用于低速风洞的柔性薄膜式多测点压力测量带
CN112393838A (zh) * 2021-01-19 2021-02-23 南京高华科技股份有限公司 具有晶圆级自密封真空腔结构的压力传感器及其制备方法
CN113401861B (zh) * 2021-05-21 2024-02-23 成都凯天电子股份有限公司 一种多量程集成的复合膜片式mems压力传感器
CN115615587B (zh) * 2022-12-20 2023-03-07 苏州敏芯微电子技术股份有限公司 压力传感器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201653604U (zh) * 2010-04-09 2010-11-24 无锡芯感智半导体有限公司 一种压力传感器
CN102419227A (zh) * 2011-09-13 2012-04-18 河南省电力公司信阳供电公司 新型微压力传感器芯片
CN103645000A (zh) * 2013-11-22 2014-03-19 中航(重庆)微电子有限公司 高温压力传感器及其制备方法
CN104071744A (zh) * 2014-06-24 2014-10-01 上海天英微***科技有限公司 压力传感器的制作方法以及压力传感器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201653604U (zh) * 2010-04-09 2010-11-24 无锡芯感智半导体有限公司 一种压力传感器
CN102419227A (zh) * 2011-09-13 2012-04-18 河南省电力公司信阳供电公司 新型微压力传感器芯片
CN103645000A (zh) * 2013-11-22 2014-03-19 中航(重庆)微电子有限公司 高温压力传感器及其制备方法
CN104071744A (zh) * 2014-06-24 2014-10-01 上海天英微***科技有限公司 压力传感器的制作方法以及压力传感器

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