CN110095212A - 一种mems压力传感器芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的MEMS压力传感器芯片及制备方法，在压敏电阻周围设置多个用于释放应力的凹槽，在应变膜弯曲时可以降低压敏电阻所在区域由于应变膜大挠度变形导致的平行于应变膜的轴向拉伸应力的影响，用以改变应变膜上的应力应变分布，在应变膜承受大变形压力时可提高压敏电阻区域应力与所施加压力的线性度，在保证传感器芯片精确度的同时可以提高压力传感器芯片在压力检测时的线性度，另外，压力传感器机构设计合理，制备过程中减少了不必要的台阶，降低了光刻的难度。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS传感器设计技术领域，特别是涉及一种MEMS压力传感器芯片及制备方法。
背景技术
MEMS(Micro Electro Mechanical System)即微电子机械***，是新兴的跨学科的高新技术研究领域。基于MEMS技术制造压阻式压力传感器由于其出色的精准度和可靠度以及相对便宜的制造成本在现代的市场中得到广泛的应用。自从20世纪50年代中期发现了硅材料的压阻特性，硅基的压阻式压力传感器就被广泛的应用。
典型的压阻式压力传感器工作原理是在一个方形或者圆形的硅应变薄膜上通过扩散或者离子注入的方式制作四个压力敏感电阻，简称压敏电阻，四个电阻互联构成惠斯顿电桥。当有外界压力施加在硅应变膜上，压敏电阻区域由于应变膜弯曲产生应力，通过压敏电阻的压阻特性，将应力转换为电阻值的变化，最后通过惠斯顿电桥将电阻值的变化转换为输出电压，通过对输出电压与压力值进行标定可以实现对压力的测量。
压阻式压力传感器测量压力的量程及灵敏度在加工工艺条件相同的情况下与传感器应变膜的厚度和尺寸等有关。为了提高压力传感器的灵敏度，需要增大应变膜的尺寸或者减小膜的厚度。考虑到集成度的提高和减少成本，减小应变膜的厚度成了必然的选择。但减小应变膜的厚度同时会降低压力传感器的线性度。低量程压力传感器一般需要很高的灵敏度，在满足灵敏度设计要求时也要保证线性度。目前低量程压力传感器通常采用梁膜岛结构，通过在应变膜的正面增加固定梁或者在膜背面中心保留岛结构增大线性度，虽然保证线性度但同时又降低了压力传感器的灵敏度。
发明内容
本发明的目的是提供一种MEMS压力传感器芯片及制备方法，提高压力传感器芯片在压力检测时的线性度，保证了传感器测量精度。
为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供了一种MEMS压力传感器芯片，包括基片、在所述基片背面形成的用于承受压力的应变膜以及在所述基片正面上形成并沿着晶向对称分布的多个用于实现所述应变膜上的应力信号至电阻值信号切换的压敏电阻，.在每个所述压敏电阻的周围刻蚀多个释放应力的凹槽。
作为一种可能的实现方式，所述凹槽为梯形凹槽，所述梯形为等腰梯形或直角梯形。
作为一种可能的实现方式，所述基片采用正方形，所述压敏电阻为4个，4个所述压敏电阻分别为正方形每条边的中间位置。
作为一种可能的实现方式，所述基片采用具有氧化硅层的单晶硅基片，，厚度为300um至700um，其中所述氧化硅层的厚度为至
作为一种可能的实现方式，所述压敏电阻周围设置三个凹槽，所述三个凹槽围绕所述压敏电阻成门型排布。
为解决上述技术问题，作为本发明的另一个方面，提供了一种MEMS压力传感器芯片的制备方法，应用于制作如上述的MEMS压力传感器芯片，所述方法包括：
制备表面形成氧化硅层的基片；
采用离子注入法或扩散法在所述基片正面的边缘制作重掺杂接触区和多个压敏电阻；
采用低压化学气相淀积法在在所述基片正面制作绝缘介质层，采用干法/湿法刻蚀和金属蒸发/溅射法在所述基片正面制作引线孔及引线；
利用光刻法在基片正面的压敏电阻周围定义凹槽形状再利用反应离子刻蚀法进行刻蚀制作凹槽；
在所述基片正面涂布保护胶后在所述基片背面利用KOH溶液进行各向异性腐蚀制作应变膜；
采用硅片键合法将玻璃与所述基片背面的硅进行键合，对键合完成的基片进行切割划片得到MEMS压力传感器芯片。
作为一种可能的实现方式，所述采用离子注入法在所述基片正面的边缘制作重掺杂接触区和多个压敏电阻，包括：
对所述基片正面的淡硼区进行光刻，利用反应离子刻蚀法对氧化硅层进行刻蚀，注入硼离子进行第一次热扩散推进；
对所述基片正面的浓硼区进行光刻，利用反应离子刻蚀法对氧化硅层进行刻蚀，注入硼离子进行第二次热扩散推进，完成重掺杂接触区和多个压敏电阻的制作。
作为一种可能的实现方式，所述采用低压化学气相淀积法在在所述基片正面制作氧化硅层和氮化硅层，包括：
采用低压化学气相淀积法在所述基片正面并温度范围为680℃到700℃下制作厚度为的氧化硅层以及控制温度范围是750℃到800℃下厚度为的氮化硅层，氧化硅层和氮化硅层共同构成绝缘介质层；
所述采用采用干法/湿法刻蚀和金属蒸发/溅射法在所述基片正面制作引线孔及引线，包括：
利用反应离子刻蚀对所述氮化硅层和氧化硅层进行刻蚀，完成引线孔制作；
利用反应离子刻蚀法对氧化硅层进行刻蚀，在所述氧化硅层上通过溅射金属法进行厚度为1.0um金属铝层制作；
对金属铝层进行光刻，利用湿法腐蚀对金属铝层完成金属引线制作。
作为一种可能的实现方式，所述利用光刻法在基片正面的压敏电阻周围定义凹槽形状再利用反应离子刻蚀法进行刻蚀制作凹槽，包括：
利用光刻法在基片正面的压敏电阻周围定义凹槽形状；
利用反应离子刻蚀法氮化硅层进行深度为刻蚀，利用反应离子刻蚀法对氧化硅层进行深度为刻蚀，再利用反应离子刻蚀对所述基片的硅层进行8.0um进行刻蚀，完成凹槽制作。
作为一种可能的实现方式，所述在所述基片正面涂布保护胶后在所述基片背面利用KOH溶液进行各向异性腐蚀制作应变膜，包括：
在所述基片背面利用光刻定义背腔区域，利用反应离子刻蚀法对所述基片背面的氮化硅进行深度为刻蚀；
利用反应离子刻蚀法对基片正面的氧化硅层进行深度为的刻蚀后涂布保护胶；
利用KOH溶液对所述基片背面进行各向异性腐蚀得到剩余厚度为16um的应变膜。
本发明提供的MEMS压力传感器芯片及制备方法，在压敏电阻周围设置多个用于释放应力的凹槽，在应变膜弯曲时可以降低压敏电阻所在区域由于应变膜大挠度变形导致的平行于应变膜的轴向拉伸应力的影响，用以改变应变膜上的应力应变分布，在应变膜承受大变形压力时可提高压敏电阻区域应力与所施加压力的线性度，在保证传感器芯片精确度的同时可以提高压力传感器芯片在压力检测时的线性度，另外，压力传感器机构设计合理，制备过程中减少了不必要的台阶，降低了光刻的难度。
附图说明
图1a示意性示出了本发明实施例中的MEMS压力传感器芯片中凹槽结构处的版图和压敏电阻分布示意图；
图1b示意性示出了本发明实施例中的MEMS压力传感器芯片中凹槽结构处的版图和压敏电阻分布示意图；
图1c示意性示出了本发明实施例中的MEMS压力传感器芯片中凹槽结构处的版图和压敏电阻分布示意图；
图2示意性示出了本发明实施例中的MEMS压力传感器芯片制备方法的流程示意图；
图2a示意性示出了本发明实施例中的MEMS压力传感器芯片中基片的示意图；
图2b示意性示出了本发明实施例中的MEMS压力传感器芯片中离子注入方式制作压敏电阻的示意图；
图2c示意性示出了本发明实施例中的MEMS压力传感器芯片中制作重掺杂接触区的示意图；
图2d示意性示出了本发明实施例中的MEMS压力传感器芯片中制作接触孔和金属引线的示意图；
图2e示意性示出了本发明实施例中的MEMS压力传感器芯片中正面刻蚀凹槽结构的示意图；
图2f示意性示出了本发明实施例中的MEMS压力传感器芯片中正面涂胶保护的示意图；
图2g示意性示出了本发明实施例中的MEMS压力传感器芯片中背面刻蚀应变膜的示意图；
图2h示意性示出了本发明实施例中的MEMS压力传感器芯片中制作完成的MEMS压力传感器芯片的示意图。
图中附图标记：1基片，2氧化硅层，3压敏电阻，4重掺杂接触区，5引线孔及引线，6氮化硅层，7凹槽，8保护胶，9背腔，10应变膜，11玻璃。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
请参考图1a至图1c所示，根据本发明的实施例，提供了一种MEMS压力传感器芯片，包括基片1、在基片1背面形成的用于承受压力的应变膜10以及在基片1正面上形成并沿着晶向对称分布的多个用于实现应变膜10上的应力信号至电阻值信号切换的压敏电阻3，.在每个所述压敏电阻3的周围刻蚀多个释放应力的凹槽7，压敏电阻3被凹槽7环绕，在应变膜10弯曲时可以降低压敏电阻3所在区域由于应变膜10大挠度变形导致的平行于应变膜10的轴向拉伸应力的影响，提升压敏电阻3所在区域应力与压力的线性度，保证了精确度，另外，压力传感器机构设计合理，制备过程中减少了不必要的台阶，降低了光刻的难度。
基片1采用正方形，所述压敏电阻3为4个，4个所述压敏电阻3分别为正方形每条边的中间位置，凹槽7为梯形凹槽，梯形为等腰梯形或直角梯形，应变膜10也对应为四边形，其边线中点处各分布相同的凹槽7结构，每个凹槽7结构围绕一组压敏电阻3，每组压敏电阻3包含2个压敏电阻3条，并对称分布于凹槽上靠近应变膜10边缘位置处，需要说明的是，凹槽7的几何形状可以保证压敏电阻3分布于线性应力分布区，凹槽7也可以采用弧线边缘角度过渡。
基片1采用具有氧化硅层2的单晶硅基片，可以采用晶面的单晶硅片或者(100)晶面的SOI(绝缘衬底上的硅，silicon on insulator)硅片，基片1的在300um～700um，优选的厚度为400um，其中，氧化硅层2厚度也可以在 优选的厚度为埃是光波长度和分子直径的常用计量单位，符号：1埃＝0.1纳米＝10^(-10)米，本领域普通技术人员应当了解，对此不作赘述。
对于凹槽7与压敏电阻3的位置关系可以采用多种方式，当压敏电阻3和凹槽7采用一一对应关系时候，凹槽7的边缘可以与压敏电阻3平行设置，当采用多个压敏电阻3时候可以采用环绕包围的方式，本实施例中，每个压敏电阻3周围设置三个凹槽7，所述三个凹槽7围绕所述压敏电阻3成门型排布。
请参考图2、图2a至图2h所示，对应地，本发明实施例中还提供了一种MEMS压力传感器芯片的制备方法，应用于制作如上述的MEMS压力传感器芯片，所述方法包括：
S201、制备表面形成氧化硅层2的基片1。
基片1采用具有氧化硅层2的单晶硅基片，可以采用晶面的单晶硅片或者(100)晶面的SOI(绝缘衬底上的硅，silicon on insulator)硅片，厚度为400um，其中，氧化硅层2的厚度为
S202、采用离子注入法或扩散法在所述基片1正面的边缘制作重掺杂接触区4和多个压敏电阻3。
重掺杂指的是掺入半导体材料中的杂质量比较多，如硅单晶中杂质浓度达到大于每立方厘米存有10^18个原子，具体地，对所述基片1正面的淡硼区进行光刻，利用反应离子刻蚀法对氧化硅层2进行刻蚀，注入硼离子进行第一次热扩散推进，对所述基片1正面的浓硼区进行光刻，利用反应离子刻蚀法对氧化硅层2进行刻蚀，注入硼离子进行第二次热扩散推进，完成重掺杂接触区4和多个压敏电阻3的制作。
S203、采用低压化学气相淀积法在在所述基片1正面制作绝缘介质层，采用干法/湿法刻蚀和金属蒸发/溅射法在所述基片1正面制作引线孔及引线5。
具体地，采用低压化学气相淀积法在所述基片1正面并温度范围为680℃到700℃下制作厚度为的氧化硅层2以及控制温度范围是750℃到800℃下厚度为的氮化硅层6，氧化硅层2和氮化硅层6共同构成绝缘介质层，利用反应离子刻蚀对氮化硅层6和氧化硅层2进行刻蚀，完成引线孔制作，利用反应离子刻蚀法对氧化硅层2进行刻蚀，在氧化硅层2上通过溅射金属法进行厚度为1.0um金属铝层制作，对金属铝层进行光刻，利用湿法腐蚀对金属层金属铝层完成金属引线制作，其中，因为金属铝的熔点是660℃，在完成了铝金属引线的制作后不能直接进行低压化学气相淀积氮化硅Si3N4或者氧化硅SiO2，通过涂胶方式可以在进行氢氧化钾KOH溶液各向异性腐蚀对硅片正面区域进行保护。
S204、利用光刻法在基片1正面的压敏电阻3周围定义凹槽7形状再利用反应离子刻蚀法进行刻蚀制作凹槽7。
利用光刻法在基片1正面的压敏电阻3周围定义凹槽7形状，利用反应离子刻蚀法对氮化硅层进行深度为刻蚀，利用反应离子刻蚀法对氧化硅层2进行深度为刻蚀，再利用反应离子刻蚀对所述基片1的硅层进行8.0um进行刻蚀，完成凹槽7制作。
S205、在所述基片1正面涂布保护胶8后在所述基片1背面利用KOH溶液进行各向异性腐蚀制作应变膜10。
在所述基片1背面利用光刻定义背腔9区域，利用反应离子刻蚀法对所述基片1背面的氮化硅进行深度为刻蚀，利用反应离子刻蚀法对基片1正面的氧化硅层2进行深度为的刻蚀后涂布保护胶8，利用KOH溶液对所述基片1背面进行各向异性腐蚀得到剩余厚度为16um的应变膜10，该刻蚀深度由基片1的厚度和设计应变膜厚度确定。
S206、采用硅片键合法将玻璃11与所述基片1背面的硅进行键合，对键合完成的基片1进行切割划片得到MEMS压力传感器芯片。
硅片键合技术是指通过化学和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃11或其它材料紧密地结合起来的方法。硅片键合往往与表面硅加工和体硅加工相结合，用在MEMS的加工工艺中。常见的硅片键合技术包括金硅共熔键合、硅/玻璃静电键合、硅/硅直接键合以及玻璃焊料烧结等，键合类别可以分为共熔键合、静电键合、直接键合以及焊烧键合。
在键合前，对硅片进行表面处理，使其表面吸附是至关重要的。对于热氧化的镜面抛光的硅片而言，热氧化的SiO2具有无定型的石英玻璃网格结构。在SiO2膜的表面和体内，有一些氧原子处于不稳定状态。在一定条件下，它们可得到能量而离开硅原子，使表面产生悬挂键。对于原始抛光硅片，纯净的的硅片表面是疏水性的，若将其浸入在含有氧化剂的溶液中，瞬间会在硅片表面吸附一层单氧层。随着溶液温度的提高(75℃～110℃)，单氧层会向一氧化物、二氧化物过渡。由化学溶液形成的硅氧化物表面有非桥键的羟基存在，所以这有利于硅片的室温键合，常用的亲水液有硫酸双氧水、稀硝酸、氨水等，本领域普通技术人员应当了解，对此不作赘述。
本发明的MEMS压力传感器芯片制备方法，在压敏电阻3周围设置多个用于释放应力的凹槽7，用以改变应变膜10上的应力应变分布，在应变膜10承受大变形压力时可提高压敏电阻3区域应力与所施加压力的线性度，在保证传感器芯片精确度的同时可以提高压力传感器芯片在压力检测时的线性度，另外，制备流程在传统的加工方式的基础上仅仅增加了一次光刻和正面刻蚀工艺，与传统工艺兼容，将正面凹槽的刻蚀放在了背腔9各向异性腐蚀的前面，避免了正面刻蚀凹槽时可能出现的应变膜10崩裂的情况，提高了工艺的可靠性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“可选实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种MEMS压力传感器芯片，其特征在于，包括基片(1)、在所述基片(1)背面形成的用于承受压力的应变膜(10)以及在所述基片(1)正面上形成并沿着晶向对称分布的多个用于实现所述应变膜(10)上的应力信号至电阻值信号切换的压敏电阻(3)，在每个所述压敏电阻(3)的周围刻蚀多个释放应力的凹槽(7)。
2.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述凹槽(7)为梯形凹槽，所述梯形为等腰梯形或直角梯形。
3.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述基片(1)采用正方形，所述压敏电阻(3)为4个，4个所述压敏电阻(3)分别为正方形每条边的中间位置。
4.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器芯片，其特征在于，所述基片(1)采用具有氮化硅层(6)和氧化硅层(2)的单晶硅基片，厚度为300um至700um，其中所述氧化硅层的厚度为至
5.根据权利要求2所述的MEMS压力传感器芯片，其特征在于，所述压敏电阻(3)周围设置三个凹槽(7)，所述三个凹槽(7)围绕所述压敏电阻(3)成门型排布。
6.一种MEMS压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，应用于制作如权利要求1至5中任一项所述的MEMS压力传感器芯片，所述方法包括：
制备表面形成氧化硅层(2)的基片(1)；
采用离子注入或者扩散法在所述基片(1)正面的边缘制作重掺杂接触区(4)和多个压敏电阻(3)；
采用低压化学气相淀积法在在所述基片(1)正面制作绝缘介质层，采用干法/湿法刻蚀和金属蒸发/溅射法在所述基片(1)正面制作引线孔及引线(5)；
利用光刻法在基片(1)正面的压敏电阻(3)周围定义凹槽(7)形状再利用反应离子刻蚀法进行刻蚀制作凹槽(7)；
在所述基片(1)正面涂布保护胶(8)后在所述基片(1)背面利用KOH溶液进行各向异性腐蚀制作应变膜(10)；
采用硅片键合法将玻璃(11)与所述基片(1)背面的硅进行键合，对键合完成的基片(1)进行切割划片得到MEMS压力传感器芯片。
7.根据权利要求6所述的MEMS压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述采用离子注入法在所述基片(1)正面的边缘制作重掺杂接触区(4)和多个压敏电阻(3)，包括：
对所述基片(1)正面的淡硼区进行光刻，利用反应离子刻蚀法对氧化硅层(2)进行刻蚀，注入硼离子进行第一次热扩散推进；
对所述基片(1)正面的浓硼区进行光刻，利用反应离子刻蚀法对氧化硅层(2)进行刻蚀，注入硼离子进行第二次热扩散推进，完成重掺杂接触区(4)和多个压敏电阻(3)的制作。
8.根据权利要求6所述的MEMS压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述采用低压化学气相淀积法在在所述基片(1)正面制作绝缘介质层，包括：
采用低压化学气相淀积法在所述基片(1)正面并温度范围为680℃到700℃下制作厚度为的氧化硅层(2)以及控制温度范围是750℃到800℃下厚度为的氮化硅层(6)，所述氧化硅层(2)和所述氮化硅层(6)共同构成绝缘介质层；
所述采用干法/湿法刻蚀和金属蒸发/溅射法在所述基片(1)正面制作引线孔及引线(5)，包括：
利用反应离子刻蚀对所述氮化硅层(6)和所述氧化硅层(2)进行刻蚀，完成引线孔制作；
利用反应离子刻蚀法对氧化硅层(2)进行刻蚀，在所述氧化硅层(2)上通过溅射金属法进行厚度为1.0um金属铝层制作；
对金属铝层进行光刻，利用湿法腐蚀对金属铝层完成金属引线制作。
9.根据权利要求6所述的MEMS压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述利用光刻法在基片(1)正面的压敏电阻(3)周围定义凹槽(7)形状再利用反应离子刻蚀法进行刻蚀制作凹槽(7)，包括：
利用光刻法在基片(1)正面的压敏电阻(3)周围定义凹槽(7)形状；
利用反应离子刻蚀法对所述氮化硅层(6)进行深度为刻蚀，利用反应离子刻蚀法对氧化硅层(2)进行深度为刻蚀，再利用反应离子刻蚀对所述基片(1)的硅层进行8.0um进行刻蚀，完成凹槽(7)制作。
10.根据权利要求6所述的MEMS压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述在所述基片(1)正面涂布保护胶(8)后在所述基片(1)背面利用KOH溶液进行各向异性腐蚀制作应变膜(10)，包括：
在所述基片(1)背面利用光刻定义背腔区域，利用反应离子刻蚀法对所述基片(1)背面的氮化硅进行深度为刻蚀；
利用反应离子刻蚀法对基片(1)正面的氧化硅层(2)进行深度为的刻蚀后涂布保护胶(8)；
利用KOH溶液对所述基片(1)背面进行各向异性腐蚀，得到剩余厚度为16um的应变膜(10)。
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