CN101551284A - 基于硅硅直接键合的压力传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于硅硅直接键合的压力传感器，包括一个具有浅槽(8)的硅衬底(1)，硅衬底(1)上为单晶硅应力薄膜(2)，硅衬底(1)与应力薄膜(2)间为二氧化硅层(3)；在应力薄膜(2)上为四个P型单晶硅压阻(4)，应力薄膜(2)与压阻(4)间为绝缘介质二氧化硅层(7)；压阻(4)之间利用浓硼掺杂硅(9)和金引线(6)形成惠斯通电桥。本发明的压力传感器采用硅硅直接键合技术形成应力薄膜和密封腔，其压阻采用二氧化硅作为绝缘层，工作温度可高达300℃；结构牢固，性能优良，可以满足汽车、航空航天等领域对高温压力传感器的需求。本发明还涉及所述压力传感器的制造方法。

Description

基于硅硅直接键合的压力传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种基于MEMS(微电子机械系统)技术的压力传感器及其制造方法，尤其是特别涉及一种基于硅硅直接键合的压力传感器及其制造工艺。
背景技术
硅压力传感器是微机械加工技术获得巨大成功的一个杰出代表，在汽车系统、工业控制、环境监控和测量以及生物医疗诊断等众多领域有着广泛的应用。压阻式硅压力传感器是最早实现的压力传感器类型，其工作原理是C.S.Smith在1954年首次发现的压阻效应。半导体材料，特别是P型掺杂的单晶硅压阻系数比金属大几个数量级。
典型的压阻式压力传感器的结构采用P型衬底上外延N型硅，再利用硅扩散工艺形成P型压阻，然后通过各向异性腐蚀等微加工技术制作成硅杯，最后形成引线。当压力作用在敏感膜上时，膜内出现径向和切向的应力。通常在薄膜的周边应力最大的区域分布4个压敏电阻，并组成惠斯通电桥来测量压力大小。
与其他类型的硅压力传感器相比，压阻式压力传感器的特点在于加工简单，信号易于测量。但是由于压敏电阻本身的温度特性，使得传感器产生很大的温度漂移，在较大温度变化范围内工作的传感器必须进行温度补偿。此外，随着温度的提高，PN结漏电流增加，因此依靠反偏PN结绝缘的压阻式压力传感器只能工作在125℃以下。
目前，硅压力传感器的制造方法主要有体微机械加工工艺和表面微机械加工工艺两种方式。从根本上说，这两种技术都依赖于某种刻蚀或移除材料的形式，具有一定的局限性。随着微机械加工技术的飞速发展，出现了一种新的加工技术——硅硅直接键合技术，它是指通过化学和物理的作用将硅片与硅片、氧化层等材料紧密连接在一起形成一个整体的方法。它可将表面加工和体加工有机地结合在一起，在微机械加工中占有重要的地位。它往往与其它手段结合使用，既可形成微结构，对微结构形成支撑和保护，又可实现微机械结构之间或微机械结构和电路之间的电学连接，在硅压力传感器制备过程中具有一定的优势。
发明内容
本发明提出一种基于硅硅直接键合的压力传感器及其制造方法，其采用硅硅直接键合技术来形成应力薄膜和密封腔，不但避免常规硅压力传感器长时间的背面湿法腐蚀，而且可以精确控制应力薄膜的尺寸和残余应力；本发明的压力传感器克服了现有的硅压力传感器在高温PN结反向漏电流造成器件性能恶化的缺陷，其压阻采用二氧化硅作为绝缘层，并将压阻以外的硅全部刻蚀掉，保证其在高温下的性能。
本发明的压力传感器采用压阻式工作原理，利用惠斯通电桥进行压力测量。为了避免常规压力传感器长时间的背面湿法腐蚀，本发明采用硅硅直接键合的方法来形成应力薄膜，其尺寸可以得到精确的控制；衬底硅片上的浅槽在键合工艺过程中可以定义出气密性能优良的密封腔。为了避免常规压阻式硅压力传感器在高温PN结反向漏电流形成的器件性能恶化，本发明中压阻采用二氧化硅作为绝缘层，并将压阻以外的硅刻蚀掉。
本发明的基于硅硅直接键合的压力传感器，包括一个具有浅槽(8)的硅衬底(1)，硅衬底(1)上为应力薄膜(2)，硅衬底(1)与应力薄膜(2)间为二氧化硅层(3)；在应力薄膜(2)上为四个P型单晶硅压阻(4)，应力薄膜(2)与压阻(4)间为绝缘介质二氧化硅层(7)；压阻(4)之间利用浓硼掺杂硅(9)和金引线(6)形成惠斯通电桥。
所述的硅衬底(1)上具有浅槽(8)，浅槽(8)的形状可利用光刻等方法进行精确定义，如方形或矩形，采用硅各项异性腐蚀液进行湿法腐蚀，形成浅槽(8)，也可以采用干法刻蚀来形成浅槽(8)。所述的应力薄膜(2)系单晶硅在硅衬底(1)上利用硅硅直接键合方式形成，单晶硅应力薄膜层具有很好的力学性质，有效避免了残余应力。衬底硅片上的浅槽(8)，在硅硅键合过程中在应力薄膜(2)处形成气密性能优良的密封腔，通过浅槽(8)或密封腔的精确定义，应力薄膜(2)的尺寸即得到精确的控制。
本发明的压力传感器采用具有压阻系数较高的P型单晶硅压阻(4)，而且采用二氧化硅进行介质绝缘，从而保证其在高温下保持优秀的性能。所述的压阻(4)由同一硅片刻蚀而来，电阻一致性比传统的扩散或者离子注入好。本领域技术人员容易理解，对于方形或矩形薄膜，4个压阻(4)优选分布在应力薄膜(2)的周边，即应力最大的区域，并组成惠斯通电桥来测量压力大小。
本发明的压力传感器可以是绝对压力传感器或是相对压力传感器，当硅硅键合过程中浅槽(8)在应力薄膜(2)处形成内部真空的密性能优良的密封腔时，构成绝对压力传感器；当所述压力传感器在衬底硅片上利用湿法腐蚀形成通气孔，作为传感器密封腔的压力入口时，构成相对压力传感器。
本发明的压力传感器中，在压阻(4)之间的引线区域首先进行浓硼掺杂形成欧姆接触，然后在形成的浓硼掺杂硅(9)上利用金属引线(6)作为连接，从而可以避免引线台阶覆盖问题。压阻拐弯段间的欧姆接触同样可以通过浓硼掺杂形成。
所述的压力传感器还可以在应力薄膜之外制作温敏电阻(5)，用于片上的温度补偿。
本发明还提出一种基于硅硅直接键合的压力传感器的制造方法，采用微机械加工方法制备，其具体工艺过程包括以下步骤：
第一步，对<100>晶向的硅片A进行热氧化，并光刻定义出密封腔图形(同时也定义了应力薄膜图形)；利用湿法腐蚀或干法刻蚀形成浅槽；
第二步，选用两片<100>晶向的硅片B和C，其中硅片C的电阻率根据压阻设计而定，对它们的表面进行热氧化，然后利用硅硅键合工艺粘合在一起；将硅片B减薄至传感器应力薄膜厚度，形成SOI硅片；
第三步，将硅片A与SOI硅片进行硅硅键合，硅片A上的浅槽在硅片B与硅片A之间形成密封腔；将硅片C减薄至1-2微米；
第四步，对硅片C光刻并刻蚀出压阻和引线区域图形，并将图形外其余的硅刻蚀掉；利用浓硼对压阻拐弯段和引线区域进行掺杂形成欧姆接触，最后淀积金引线完成整个传感器的加工。
上述方法中，在第一步将硅片A利用湿法腐蚀或干法刻蚀形成浅槽时，利用湿法腐蚀在硅片A的浅槽处形成通气孔，即可制造相对压力传感器。
有益效果：本发明的压力传感器采用硅硅直接键合技术形成应力薄膜和密封腔，其压阻采用二氧化硅作为绝缘层，工作温度可高达300℃；结构牢固，性能优良，可以满足汽车、航空航天等领域对高温压力传感器的需求。其有益效果具体包括：
1、避免了常规压力传感器长时间的背面湿法腐蚀，采用硅硅直接键合的方法来形成应力薄膜，其尺寸可以得到精确的控制。考虑到单晶硅优良的力学性质，该传感器具有批量生产的能力。
2、本发明首先在衬底硅片上定义并形成浅槽，然后在硅硅键合工艺过程中可以定义出气密性能优良的密封腔。与阳极键合和金硅键合等其他形成密封腔的方式相比，硅硅键合形成的密封腔具有最好的气密性能。
3、本发明的压力传感器密封腔中各向异性腐蚀角向内，从而使得在传感器有效面积一定的情况下，总的芯片面积比常规压力传感器节约一半以上。
4、本发明的压力传感器中采用压阻系数较高的P型单晶硅压阻，底部采用二氧化硅进行介质绝缘，而且侧边多余的硅刻蚀去除，从而保证其在高温下保持优秀的性能。此外，由于传感器中四个压阻是由同一硅片刻蚀而来，其电阻率比扩散和离子注入法形成的压阻一致性要好。
5、考虑到压阻的厚度可能会比金属引线厚而导致高温情况下在“台阶”边缘处发生断裂，本发明对压阻的拐弯段和引线区域首先进行浓硼掺杂，然后利用金属引线作为连接，该工艺不仅可以避免负压阻效应，而且还提高了压力传感器长期高温工作时的可靠性。
6、在制备压阻时，在应力薄膜之外可制作温敏电阻，用于片上的温度补偿。
下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。本发明的范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求的范围加以限定。
附图说明
图1基于硅硅直接键合的绝对压力传感器立体结构示意图
图2基于硅硅直接键合的绝对压力传感器平面图
图3图2中A-A’线的剖视图
图4基于硅硅直接键合工艺的绝对压力传感器制造工艺流程示意图
具体实施方式
实施例1
实施例1涉及一种基于硅硅直接键合的绝对压力传感器。
如图1、图2和图3所示，一种基于硅硅直接键合的压力传感器，包括一个具有方形浅槽8的硅衬底1，其上为单晶硅应力薄膜2，硅衬底1与应力薄膜2间为二氧化硅层3；方形浅槽8在硅硅直接键合过程中形成内部真空的密封腔。在应力薄膜2的四条边上有四个P型单晶硅压阻4，四个压阻由同一硅片刻蚀而来。应力薄膜2与压阻4间为二氧化硅层7；对压阻拐弯段和引线区域利用浓硼掺杂硅9形成低阻连接和欧姆接触，并利用金引线6形成惠斯通电桥。
在应力薄膜之外还制作有温敏电阻5。
实施例2
实施例2根据本发明的方法制备绝对压力传感器，具体工艺流程如图4所示，包括以下步骤：
1.衬底准备
a)选用<100>晶向的6英寸N型硅片A，并进行热氧化，SiO2厚度为500nm。
b)进行第一次光刻定义出方形应力薄膜图形。利用各项异性腐蚀液，如浓度为25％TMAH腐蚀液，在85℃下进行腐蚀，时间为30min，形成方形浅槽。将硅片A表面的二氧化硅去除，并重新热氧化生长厚度为500nm的SiO2。
2.第一次硅硅键合制备SOI硅片
a)对硅片B与硅片C同时进行RCA表面活化清洗，用去离子水冲洗干净，再进行干燥处理。使用EVG公司的610对准机进行两硅片对准，利用EVG501系列键合机进行预键合，键合气氛设为空气。预键合完成后，再置入高温炉中退火，1000℃1小时，1200℃1小时，退火气氛设为氧气。
b)用VG202MK II专用减薄机对键合片进行机械研磨，保留硅层厚度约30μm。对键合片进行精密的化学机械抛光(CMP)和局部等离子腐蚀，单晶硅薄膜厚度控制在20μm，减薄精度可达0.1μm±10％。
3.第二次硅硅键合
a)对硅片A和SOI硅片同时进行RCA表面活化清洗，用去离子水冲洗干净，再进行干燥处理。使用EVG公司的610对准机进行两硅片对准，利用EVG501系列键合机进行预键合，键合气氛设为真空。预键合完成，再置入高温炉中退火，1000℃1小时，1200℃1小时，退火气氛设为氮气。
b)用VG202MKII专用减薄机对键合片进行机械研磨，保留硅层厚度约30μm。对键合片进行精密的化学机械抛光(CMP)和局部等离子腐蚀，单晶硅薄膜厚度控制在2μm，减薄精度可达0.1μm±10％。
4.压阻形成与引线
a)第二次光刻，并利用光刻胶作为掩模进行RIE干法刻蚀(配方为SF6+O2)，形成压阻和引线图形。第三次光刻，对压阻拐弯处和引线区域进行浓硼掺杂(掺杂浓度在10E19cm-3以上)，以形成欧姆接触。
b)溅射厚度分别为100nm和200nm的钛/金层，并进行第四次光刻形成金引线，连成惠斯通电桥。
实施例3
实施例3根据本发明的方法制备相对压力传感器，具体工艺流程包括以下步骤：
1.衬底准备
a)选用<100>晶向的6英寸N型硅片A，并进行热氧化，SiO2厚度为500nm。
b)进行第一次光刻定义出方形应力薄膜图形。利用各项异性腐蚀液，如用浓度为25％TMAH腐蚀液，在85℃下进行腐蚀，直至腐蚀停止在111晶面。用VG202MKII专用减薄机对键合片进行机械研磨，直至露出硅通孔为止(此时，硅层厚度约400μm)。
2.第一次硅硅键合制备SOI硅片
a)对硅片B与硅片C同时进行RCA表面活化清洗，用去离子水冲洗干净，再进行干燥处理。使用EVG公司的610对准机进行两硅片对准，利用EVG501系列键合机进行预键合，键合气氛设为空气。预键合完成后，再置入高温炉中退火，1000℃1小时，1200℃1小时，退火气氛设为氧气。
b)用VG202MK II专用减薄机对键合片进行机械研磨，保留硅层厚度约30μm。对键合片进行精密的化学机械抛光(CMP)和局部等离子腐蚀，单晶硅薄膜厚度控制在20μm，减薄精度可达0.1μm±10％。
3.第二次硅硅键合
a)对硅片A和SOI硅片同时进行RCA表面活化清洗，用去离子水冲洗干净，再进行干燥处理。使用EVG公司的610对准机进行两硅片对准，利用EVG501系列键合机进行预键合，键合气氛设为真空。预键合完成后，再置入高温炉中退火，1000℃1小时，1200℃1小时，退火气氛设为氮气。
b)用VG202MKII专用减薄机对键合片进行机械研磨，保留硅层厚度约30μm。对键合片进行精密的化学机械抛光(CMP)和局部等离子腐蚀，单晶硅薄膜厚度控制在2μm，减薄精度可达0.1μm±10％。
4.压阻形成与引线
a)第二次光刻，并利用光刻胶作为掩模进行RIE干法刻蚀(配方为SF6+O2)，形成压阻和引线图形。第三次光刻，对压阻拐弯处和引线区域进行浓硼掺杂(掺杂浓度在10E19cm-3以上)，以形成欧姆接触。
b)溅射厚度分别为100nm和200nm的钛/金层，并进行第四次光刻形成金引线，连成惠斯通电桥。
本发明的具体实施方式不仅限于上述实施例，譬如在工艺步骤1(b)中可以腐蚀出矩形膜，相应的压阻形状也可以做相应改变。此外，在工艺步骤1(b)中也可以采用干法刻蚀来形成浅槽。在工艺步骤4(a)中也可以采用其他配方或湿法腐蚀来进行刻蚀形成压阻图形。

Claims (8)

1.一种基于硅硅直接键合的压力传感器，其特征在于所述压力传感器包括一个具有浅槽(8)的硅衬底(1)，硅衬底(1)上为应力薄膜(2)，硅衬底(1)与应力薄膜(2)间为二氧化硅层(3)；在应力薄膜(2)上为四个P型单晶硅压阻(4)，应力薄膜(2)与压阻(4)间为绝缘介质二氧化硅层(7)；四个压阻(4)之间利用浓硼掺杂硅(9)和金引线(6)形成惠斯通电桥。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于所述的应力薄膜(2)系单晶硅在硅衬底(1)上利用硅硅直接键合方式形成。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于所述的压阻(4)由同一硅片刻蚀而来。
4.根据权利要求1至3所述的任一压力传感器，其特征在于所述的浅槽(8)在硅硅直接键合过程中形成内部真空的密封腔。
5.根据权利要求1至3所述的任一压力传感器，其特征在于所述的硅衬底(1)上利用湿法腐蚀或者干法刻蚀形成通气孔，作为传感器的压力入口。
6.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于所述的压力传感器在应力薄膜(2)之外制作温敏电阻(5)。
7.一种权利要求1所述的基于硅硅直接键合的压力传感器的制造方法，包括以下步骤：
(1)对<100>晶向的硅片A进行热氧化，并光刻定义出应力薄膜图形；利用湿法腐蚀或干法刻蚀形成浅槽；
(2)选用两片<100>晶向的硅片B和C，对它们的表面进行热氧化，然后利用硅硅键合工艺粘合在一起；将硅片B减薄至传感器应力薄膜厚度，形成SOI硅片；
(3)将硅片A与SOI硅片进行硅硅键合，硅片A上的浅槽在硅片B与硅片A之间形成密封腔；将硅片C减薄至1-2微米；
(4)对硅片C光刻并刻蚀出压阻和引线区域图形，并将图形外其余的硅刻蚀掉；利用浓硼对压阻拐弯段和引线区域进行掺杂形成欧姆接触，最后淀积金引线。
8.根据权利要求7所述的压力传感器的制造方法，其特征在于所述的步骤(1)中利用湿法腐蚀在硅片A的浅槽处形成通气孔。
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