CN101271028A

CN101271028A - 基于硅硅键合和绝缘层上硅的压力传感器芯片及方法

Info

Publication number: CN101271028A
Application number: CN 200810036215
Authority: CN
Inventors: 武爱民; 陈静; 王曦; 魏星; 张波
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2008-09-24

Abstract

本发明涉及基于硅硅键合和绝缘层上硅(SOI)的压力传感器芯片及其制作方法，属于传感器芯片领域。其特征在于支撑硅片上的浅槽和导气孔都是通过各向异性腐蚀形成的，通过控制腐蚀时间获得适当的浅槽深度可以实现器件的过压保护。通过硅硅键合技术将支撑片与倒扣的SOI片键合，完成磨片和抛光后在SOI上实现梁－膜结构提高器件的灵敏度和线性度，在加工的梁上制备力敏电阻元件，采用SOI的氧化埋层解决敏感元件和弹性元件的绝缘隔离，提高器件的长期可靠性和高温环境下的适用性。本发明提出的基于键合技术的SOI高灵敏压力传感器芯片工艺可控性和重复性好，成品率高。

Description

基于硅硅键合和绝缘层上硅的压力传感器芯片及方法

技术领域

本发明涉及一种基于硅硅键合技术和绝缘体上硅(SOI)的高灵敏低量程的压力传感器芯片及其制作方法，属于传感器芯片领域。

背景技术

硅基压力传感器作为商业化最为成功的微机电系统(MEMS)器件，过去几十年在石油、航天、医疗器械以及汽车电子等领域都获得了广泛的应用和技术的改进。但是由于硅微机械加工技术制备的体硅压力传感器采用pn结作为电学隔离手段，在125℃以上的环境由于反向漏电流的增大而导致失效；普通压力传感器通常将应力膜的长宽比做得足够大而获得高的灵敏度，但是在低量程的应用上这种设计则会使得器件的线性特性恶化进而产生矛盾，这些都是硅压力传感器发展过程中遇到的一些问题。

采用SOI材料对于压力传感器高温性能的改进可以起到显著的作用，相对于传统的体硅压力传感器，SOI压力传感器利用绝缘埋氧层隔离取代了pn结隔离，使得器件忍耐高温的能力大大增强。此外，与多晶硅压力传感器相比，由于SOI的顶层是单晶硅材料，力学性能甚优于多晶硅压力传感器，灵敏度也能得到极大的提高。

对于高灵敏的压力传感器，一般通过将应力膜的尺寸和厚度的比值做的足够大来获得，然而当两者的比例很大的时候得到的输出信号与外加压力不再是严格的线性曲线，这就是压力传感器的非线性问题。国内外学者对此曾提出过背岛结构(M.Shimazoe等人发表在Sensors and Actuators，2(1982)275-282上的“A special silicon diaphragm pressure sensor with high output andhigh accuracy”一文”)、双岛结构(Endevco Tech.Paper Tp277中的“Basicadvantages of the anisotropic etched transverse gage pressure transducer.”一文)和梁-膜结构(Minhang Bao发表在Sensors and Actuators A，28(1991)，105-112上的“Stress concentration structure with front beam for pressure sensor”一文)等方案，都对器件线性度的提高非常有效。其中背岛结构和双岛结构由于制作过程中的工艺参数控制要求非常苛刻，而且由于岛结构存在于应力膜的背面不利于器件的小型化，因此并不适于大批量生产。其中梁-膜结构是一种有效的应力集中结构，其应力集中机理是梁和膜的厚度差异会将应力集中到梁上，又由于梁在不同区域宽度的不同，应力将被集中在梁的窄区内，这样便可以在梁-膜不产生大位移即避免一部分非线性成因的前提下获得高的灵敏度。但是同样由于在制备过程中需要长时间的各向异性腐蚀来实现超薄的应力膜，这样便难以保证膜的不同位置以及不同批次的膜之间的均匀性，因此对于大规模生产而言同样存在局限性。

本发明试图通过借鉴梁-膜结构应力集中的优点，但是并不采取长时间的各向异性腐蚀形成硅杯作为制作高灵敏的应力薄膜的工艺手段，而是通过预先腐蚀好的浅槽和倒扣的SOI片键合工艺，在SOI片原本的顶层硅上形成梁和膜的结构，这样对制作工艺的要求降低，保证了器件的工艺稳定性以获得更高的成品率。结合成熟的研磨和化学机械抛光技术，在SOI背面磨片抛光剩余的薄层单晶硅上制作与梁-膜绝缘隔离的力敏电阻，可同时解决高温应用以及非线性问题，还能够同时带来工艺稳定性和器件微型化，通过调整预先腐蚀的浅槽的深度同样可以实现过压保护，进一步提高了器件的实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于硅硅键合和SOI的MEMS高灵敏低量程压力传感器芯片及制作方法，不仅可将硅压力传感器的应用温度范围扩展到200℃以上，而且器件在高灵敏的前提下仍然能保持好的线性度，而采用硅硅键合技术使器件制备的工艺稳定性和可靠性更强，并能方便的实现器件的微型化和过压保护。

本发明所述的高温高灵敏压力传感器芯片示意如图1所示，其中1为应力膜，2为梁，3为浅槽，4为键合后带有浅槽和导气孔的体硅片，5为力敏电阻元件，6为连接力敏电阻元件的引线和电极。其中体硅片4上的浅槽和导气孔在硅片和倒扣的SOI片键合之前腐蚀形成，浅槽3之上的梁-膜和力敏电阻在键合和磨片抛光完成后在倒扣的SOI上微机械加工而成。本发明所述的压力传感器芯片适用量程范围为0.1KPa～10KPa；梁和膜的厚度比为2～5，梁的厚度为5um～20um，膜的厚度为1um～10um，浅槽的深度为1um～20um。通过控制芯片的膜的厚度传感器的灵敏度可以超过30mV/KPa/5V。

基于硅硅键合和SOI的MEMS高灵敏低量程压力传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：通过应力分析找出梁2上最佳的压阻布置位置，设计并制作版图；采用p型或n型硅片，正反对准光刻后，采用热氧化层做掩膜在氢氧化钾或四甲基氢氧化铵溶液中腐蚀出浅槽3和下面的导气孔，如图2(1)所示；采用硅硅键合技术将SOI片倒扣与腐蚀好的硅片的浅槽面键合，如图2(2)所示；采用研磨和化学机械抛光将SOI上层减薄至1-5um，如图2(3)所示；各向异性腐蚀形成梁和膜的结构，通过离子注入和扩散形成压阻区和欧姆接触区，如图2(4)所示；采用反应离子束刻蚀或深反应离子束刻蚀形成压敏电阻，如图2(5)所示；光刻引线孔，溅射金属，合金完成芯片的电学连接，如图2(6)所示；划片，测试，封装，完成传感器芯片制备。

本发明采用腐蚀有浅槽和导气孔的硅片与SOI片键合，硅硅键合取代了传统硅压力传感器制备中硅与玻璃的阳极键合，不仅给后续工艺带来更大的灵活性，同种材料之间热膨胀系数的一致性使得器件的残余应力更小。通过控制浅槽的深度可以方便的器件整体尺寸微型化的基础上实现过压保护，避免了早期微压传感器中要实现过压保护则必须增大器件尺寸的矛盾。

对于一般体硅压力传感器而言，在低量程应用时通过把应力膜的宽度和厚度得比做的足够大来获取高灵敏度，然而会导致器件线性度变差。本发明通过引入梁-膜结构来实现应力集中，在提高灵敏度的同时不降低线性度。压力传感器非线性包括构成惠斯顿电桥的电阻不一致造成的非线性，压阻系数与应力之间的非线性以及外加压力和膜内应力之间的非线性。本发明通过采用单个四终端压阻敏感元件避免了构成惠斯顿电桥的四个电阻的不一致引发的非线性和压阻系数对应力之间的非线性，而梁-膜结构作为一种应力集中结构，在设计过程中只要将力敏电阻放置在梁窄区内应力最大的位置(如图1所示力敏电阻5的位置，图3中的f区域)就能够在保证高灵敏度的同时梁-膜结构的位移比较小，此时外加压力与膜内应力之间的非线性也可以得到很大程度的缩减。

本发明采用四终端压阻元件取代了传统的四电阻构成的惠斯顿电桥，四终端压阻元件又称为霍尔器件，有两个相对的输入端和输出端，如图3所示。当选择a和c为输入端并且外加电压后，由于压阻效应，随着外界压力的改变造成梁表面应力的变化，b和d作为输出端产生的电压信号将与梁-膜结构受到的压力差成正比。根据应力分析的结论，四终端压阻元件既可以布置在梁的中间窄区(图3中f区域内，梁的窄区是相对于g区域而言)，也可以布置在梁两端的窄区内。

综上所述，本发明提供的一种基于硅硅键合和SOI的高灵敏低量程压力传感器芯片，总体结构由硅硅键合技术制作形成，包括了体硅片和SOI微机械加工形成的梁-膜结构和力敏电阻部分。体硅片为N型或P型，正面由各向异性腐蚀形成浅槽，背面由各向异性深腐蚀形成导气孔。浅槽上面的结构在SOI上制备，包括应力膜、梁和通过二氧化硅埋层隔离的四终端压阻元件，器件还包括连接力敏电阻元件的引线和电极。所提供的传感器芯片的量程范围通常为0.1KPa～10KPa。

所述的四终端压阻元件区域掺杂类型为P型，掺杂浓度为10¹⁷～10²⁰/cm²；需要做欧姆接触连接引线的区域也是P型掺杂，掺杂浓度大于10²⁰/cm²。

在微机械加工后的硅片与SOI片的键合采用硅硅热压键合技术，具体键合的工艺包括：a)RCA标准清洗，b)微波等离子体活化，c)兆声清洗，d)热压预键合的温度为200℃到500℃，压强1～50bar，键合持续时间5～100分钟，以及e)高温退火加固的温度为900℃～1200℃，加固持续时间1～4小时。

在SOI材料上加工压阻器件，既使得器件能够在高温下可靠的使用，更保证了器件在常温下的长期稳定性，浮雕式的电阻结构也容易获得与设计更一致的结果。采用离子注入和扩散来实现重掺杂并且调节浮雕式压阻内的掺杂浓度，能够使器件在温度变化的情况下有效的实现自补偿，增加器件的使用价值。本发明中采用的相关技术均为成熟的微机械加工工艺，制备的压力传感器工艺重复性和稳定性好，产品良率能够得到保证，适于大批量生产。

附图说明

图1为本发明中的压力传感器芯片结构示意图，其中1为应力膜，2为梁，3为浅槽，4为支撑片，5为力敏元件，6为金属引线；

图2为本发明的压力传感器部分工艺流程图，其中(1)为腐蚀出浅槽3和导气孔后的体硅上的结构4；(2)为倒扣的SOI片与体硅结构实现硅硅键合；(3)为对倒扣的SOI的衬底部分进行研磨和化学机械抛光后的结构；(4)为腐蚀出梁2和膜1的结构；(5)是刻蚀得到力敏电阻元件5；(6)溅射金属引线6并完成合金化。

图3为本发明中采用的四终端器件布置在梁的中间窄区的平面示意图，a和c为输入端，b和d为输出端，e是金属引线，f指梁上的中间窄区，g为梁上的宽区。

具体实施方式

下列实例将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。适用于1KPa量程范围的基于硅硅键合和绝缘层上硅的压力传感器芯片的制作方式：

采用4英寸450μm后的N型(100)双抛单晶硅片，电阻率为1-10ohm.cm，和4英寸P型双抛SOI片，顶层硅和埋层厚度分别为30μm和1μm，顶层硅电阻率1-10ohm.cm。

1.对硅片清洗然后氧化，氢氧化钾溶液中腐蚀出浅槽和导气孔，浅槽的深度为15μm，如图2(1)所示；

2.SOI片和硅片浅槽面键合，在键合机内采用400℃真空，加压2bar时间20分钟，然后在1200度高温炉中通干氧4小时做键合加固，如图2(2)所示；

3.对SOI片的背面进行机械研磨和化学机械抛光，氧化埋层上剩余顶层硅厚度约1微米，如图2(3)所示；

4.采用双面对准光刻，在键合面之上的硅层和氧化层腐蚀出梁-膜结构，梁的厚度为10μm，膜的厚度为3μm，如图2(4)所示；

5.采用硼离子注入和扩散在梁表面形成淡硼区作为接下来形成力敏电阻的区域，注入能量和剂量分别为100KeV，4E15cm^-2，扩散条件为氮气1000℃下2小时，扩散后掺杂浓度约为10¹⁸/cm²；再次注入浓硼区作为电学连接的欧姆接触区，能量为80KeV，剂量为4E16cm^-2，扩散条件为1100℃干氧气氛下退火1小时，扩散后掺杂浓度为2×10²⁰/cm²；

6.采用反应离子束刻蚀在顶层硅上形成四终端力敏电阻，如图2(5)所示；

7.溅射金，厚度为300nm，反刻然后腐蚀完成电学连接，最后完成合金化，如图2(6)所示；

8.划片，引线，测试，完成压力传感器芯片的制备。

Claims

1、基于硅硅键合和SOI制作的压力传感芯片，其特征在于体硅片和SOI微机械加工形成梁-膜结构和力敏电阻部分，由各向异性腐蚀在体硅片正面形成浅槽，背面形成导气孔，浅槽之上的SOI上有应力膜，梁和通过二氧化硅埋层隔离的终端压阻元件以及连接力敏电阻元件的引线和电极。

2、按权利要求1所述的基于硅硅键合和SOI制作的压力传感芯片，其特征在于梁和膜的厚度取决于器件的量程，梁和膜的厚度比为2-5。

3、按权利要求1或2所述的基于硅硅键合和SOI制作的压力传感芯片，其特征在于所述的梁的厚度为5μm-20μm，膜的厚度为1μm-10μm。

4、按权利要求1所述的基于硅硅键合和SOI制作的压力传感芯片，其特征在于浅槽的深度为1μm-20μm。

5、按权利要求1所述的基于硅硅键合和SOI制作的压力传感芯片，其特征在于四终端压阻元件布置在梁的中间窄区内或布置在梁两端的窄区内。

6、按权利要求1或5所述的基于硅硅键合和SOI制作的压力传感芯片，其特征在于所述的四终端压阻元件共有4个引出电极，其中相对的两个引出电极接输入电压，另外两端为输出端，输出信号的大小于梁-膜结构受到的压力差成正比。

7、按权利要求1所述的基于硅硅键合和SOI制作的压力传感芯片，其特征在于所述的体硅片为N型或P型。

8、制备如权利要求1所述的基于硅硅键合和SOI制作的压力传感芯片的方法，其特征在于包括采用以下步骤制作：

(a)应力分析找出梁上应力最大的位置即最佳的压阻位置，完成设计，制作光刻版；

(b)采用p型或n型硅片，正反对准光刻后，用热氧化层做掩膜在氢氧化钾或四甲基氢氧化铵溶液中腐蚀出浅槽和下面的导气孔；

(c)采用硅硅热压键合将SOI片倒扣与腐蚀好的硅片的浅槽面键合；

(d)采用研磨或者湿法腐蚀结合化学机械抛光将SOI上层减薄至1-5μm；

(e)各向异性腐蚀形成梁和膜的结构；

(f)通过硼离子注入和扩散获得需要的力敏压阻元件区域和欧姆接触连接引线的区域掺杂浓度，采用反应离子束刻蚀或深反应离子束刻蚀形成四终端压阻元件；

(g)光刻引线孔，溅射金属，合金完成芯片的电学连接；

(h)划片，测试，完成传感器芯片制备。

9、按权利要求8所述的基于硅硅键合和SOI制作的压力传感芯片的制作方法，其特征在于步骤c所述的硅硅热压键合工艺包括：

a)RCA标准清洗；

b)微波等离子体活化；

c)兆声清洗；

d)热压预键合的温度为200℃到500℃，压强1～50bar，键合持续时间5～100分钟；

以及e)高温退火加固的温度为900℃～1200℃，加固持续时间1～4小时。

10、按权利要求8所述的基于硅硅键合和SOI制作的压力传感芯片的制作方法，其特征在于四终端压阻元件区域掺杂类型为P型，掺杂浓度为10¹⁷～10²⁰/cm²；欧姆接触连接引线的区域掺杂类型为P型，掺杂浓度大于10²⁰/cm²。