CN106586942A - 一种微电子气压传感器及其制备方法 - Google Patents

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齐本胜
蔡春华
朱念芳
华迪
谈俊燕
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    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
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    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
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    • B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • G01L9/12—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor

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Abstract

本发明公开了一种基于单晶硅外延封腔工艺的气压传感器结构及其制备方法，具体是一种基于MEMS微加工技术的电容式气压传感器，由于外延单晶硅工艺成熟，其所形成的硅微结构机械性能良好，尤其利用外延单晶硅所形成的腔体结构密封性能十分优异。由此形成的电容式气压传感器电容值主要由薄膜体厚度决定，并受环境温度及压力影响。基于介电伸缩效应原理，电容介电材料介电常数值随所受压力的变化而变化，并且呈现明显的单调性，该特性可以实现压力或者气压等数据检测。结合MEMS微加工技术，该电容式气压传感器体积小，功耗低，响应时间短。

Description

一种微电子气压传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种微电子气压传感器及其制备方法，尤其是一种基于MEMS微加工技术的气压传感器及其制备方法，属于微电子机械***技术领域。
背景技术
常规的气压传感器的感应原理主要包括两种电容感应和压阻感应两种。电容感应的原理是压力作用下，电容的一个可动电极发生位移，电容间距变化，电容值变化。压阻感应的原理是压力作用下，由于膜变形产生的应力导致膜上电阻发生变化。这两种气压传感器的主要缺陷是：（1）对于电容式气压传感器，主要问题是电极引出，并且由于存在一个可动电极，导致封装较困难，可靠性较差；（2）对于压阻式气压传感器，这类气压传感器对于设计的要求很高，对于压阻的大小，形状以及放置的位置都有严格的要求。此外，工艺要求也很高，因为必须保证形成惠斯通电桥的四个电阻阻值完全相等。
发明内容
目的：为解决现有技术的不足，提供一种微电子气压传感器及其制备方法，器件结构稳定，低成本，加工工艺简单，且与CMOS IC工艺具有较好的兼容性。基本方法就是采用MEMS技术，通过单晶硅外延封腔工艺在硅片内形成空腔，并在空腔上形成敏感电容从而实现气压传感器的功能。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种微电子气压传感器，其特征在于：包括单晶硅密封腔体和基于介电伸缩效应的电容式气压传感器；
以单晶硅作为衬底，通过单晶硅外延封腔工艺形成密封腔体结构；通过溅射，光刻，腐蚀工艺，在密封腔上表面的依次生长电容器下电极、介电材料、上电极；在单晶硅衬底上设置有金属焊盘和引线用来分别引出电容器的上电极、下电极；
根据介电伸缩效应原理，电容介电材料的介电常数值随所受压力的变化而变化，并且呈现明显的单调性，从而通过检测电容器敏感电容值，可以实现压力或者气压等数据检测。
所述的微电子气压传感器，其特征在于：所述单晶硅衬底上表面依次生长有氧化硅和氮化硅，并光刻、腐蚀形成接触孔。
所述的微电子气压传感器，其特征在于：所述电容器下电极、上电极、引线及焊盘的材质均为金属。
作为优选方案，所述的微电子气压传感器，其特征在于：所述电容器下电极、上电极、引线及焊盘的材质均为Al。
作为优选方案，所述的微电子气压传感器，其特征在于：所述电容介电材料为氧化硅。
作为优选方案，所述的微电子气压传感器，其特征在于：单晶硅衬底中的密封腔体高度为4-6μm。更优选为5μm左右。
本发明还提供上述的微电子气压传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1）、采用N型单晶硅作为衬底，通过各向异性反应离子刻蚀工艺在单晶硅衬底上刻蚀浅槽；
步骤2）、在对单晶硅衬底浅槽侧壁进行保护的同时，对单晶硅衬底进行各向同性腐蚀，为接下来的外延单晶硅封腔工艺做准备；
步骤3）、外延生长单晶硅，在单晶硅衬底内部形成密封腔体；
步骤4）、在单晶硅衬底上表面依次生长氧化硅和氮化硅，并光刻、腐蚀形成接触孔；
步骤5）、在氮化硅表面溅射第一层金属，光刻、腐蚀形成焊盘、电互连线以及电容器下电极；
步骤6）、在氮化硅和第一层金属上溅射电容介电材料，光刻、腐蚀形成电容介电层结构；
步骤7）、光刻、腐蚀电容介质材料，露出电容器下极板的引线及焊盘。
有益效果：本发明提供的微电子气压传感器，由于外延单晶硅工艺成熟，其所形成的硅微结构机械性能良好，尤其利用外延单晶硅所形成的腔体结构密封性能十分优异。由此形成的电容式气压传感器电容值主要由薄膜体厚度决定，并受环境温度及压力影响。基于介电伸缩效应原理，电容介电材料介电常数值随所受压力的变化而变化，并且呈现明显的单调性，该特性可以实现压力或者气压等数据检测。结合MEMS微加工技术，该电容式气压传感器体积小，功耗低，响应时间短。
附图说明
图1是本发明制作的流程示意图；
图2是本发明结构的主视图；
图3是本发明结构的俯视图；
图中：衬底1、氧化硅2、氮化硅3、电容器下电极4、电容介电材料5、电容器上电极6、密封腔体7、焊盘8。
具体实施方式
下面结合实例对本发明做具体说明：
实施例1：
如图1至图3所示，本发明提供的微电子气压传感器通过以下步骤制备：
（a）采用N型（100）单晶硅作为衬底1，通过各向异性反应离子刻蚀RIE 工艺在单晶硅衬底1上刻蚀1-10μm浅槽；
（b）在对单晶硅衬底1浅槽侧壁进行保护的同时，对单晶硅衬底进行各向同性腐蚀，为接下来的外延单晶硅封腔工艺做准备；
（c）外延生长单晶硅，在单晶硅衬底内部形成了密封腔体7，腔体高约5μm；
（d）在单晶硅衬底1上表面依次生长氧化硅2和氮化硅3，并光刻、腐蚀形成接触孔；
（e）在氮化硅3表面溅射第一层金属Al，光刻、腐蚀形成焊盘8、电互连线以及电容器下电极4；
（f）在氮化硅3和第一层金属上溅射电容介电材料5（如氧化硅），光刻、腐蚀形成电容介电层结构；
（g）在氮化硅3和电容介电材料5上溅射第二层金属Al，光刻、腐蚀形成电容器上电极6；
（h）光刻、腐蚀电容介电材料5，露出电容器下极板4的引线及焊盘8。
以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微电子气压传感器，其特征在于：包括单晶硅密封腔体和基于介电伸缩效应的电容式气压传感器；
以单晶硅作为衬底，通过单晶硅外延封腔工艺形成密封腔体结构；通过溅射，光刻，腐蚀工艺，在密封腔上表面的依次生长电容器下电极、介电材料、上电极；在单晶硅衬底上设置有金属焊盘和引线用来分别引出电容器的上电极、下电极。
2.根据权利要求1所述的微电子气压传感器，其特征在于：所述单晶硅衬底上表面依次生长有氧化硅和氮化硅，并光刻、腐蚀形成接触孔。
3.根据权利要求1所述的微电子气压传感器，其特征在于：所述电容器下电极、上电极、引线及焊盘的材质均为金属。
4.根据权利要求1所述的微电子气压传感器，其特征在于：所述电容器下电极、上电极、引线及焊盘的材质均为Al。
5.根据权利要求1所述的微电子气压传感器，其特征在于：所述电容介电材料为氧化硅。
6.根据权利要求1所述的微电子气压传感器，其特征在于：单晶硅衬底中的密封腔体高度为4-6μm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的微电子气压传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1）、采用N型单晶硅作为衬底，通过各向异性反应离子刻蚀工艺在单晶硅衬底上刻蚀浅槽；
步骤2）、在对单晶硅衬底浅槽侧壁进行保护的同时，对单晶硅衬底进行各向同性腐蚀，为接下来的外延单晶硅封腔工艺做准备；
步骤3）、外延生长单晶硅，在单晶硅衬底内部形成密封腔体；
步骤4）、在单晶硅衬底上表面依次生长氧化硅和氮化硅，并光刻、腐蚀形成接触孔；
步骤5）、在氮化硅表面溅射第一层金属，光刻、腐蚀形成焊盘、电互连线以及电容器下电极；
步骤6）、在氮化硅和第一层金属上溅射电容介电材料，光刻、腐蚀形成电容介电层结构；
步骤7）、光刻、腐蚀电容介质材料，露出电容器下极板的引线及焊盘。
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