CN101639391B - 带温度传感器的多晶硅纳米膜压力传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在保证高灵敏度的同时获得低温度系数、可同时实现压力和温度测量的带温度传感器的多晶硅纳米膜压力传感器及其制作方法。它是由单晶硅硅杯、绝缘层、多晶硅纳米膜压敏电阻和薄膜电阻组成的，单晶硅硅杯连接绝缘层，绝缘层连接多晶硅纳米膜压敏电阻和薄膜电阻。单晶硅硅杯包括感压膜和周边固支结构，感压膜位于单晶硅硅杯上部，周边固支结构位于单晶硅硅杯两边。由单晶硅通过腐蚀制作单晶硅硅杯，利用化学气象淀积法在单晶硅硅杯的上部淀积一层二氧化硅或氮化硅作为绝缘层，将压力测量单元和温度测量单元集成在一个芯片上，能够同时实现压力和温度的测量，减小芯片面积，降低成本。

Description

带温度传感器的多晶硅纳米膜压力传感器及其制作方法
(一)技术领域
本发明涉及电气测量技术，具体说就是一种带温度传感器的多晶硅纳米膜压力传感器及其制作方法。
(二)背景技术
多晶硅压力传感器产生于二十世纪七十年代，由于压敏电阻与衬底硅片之间采用绝缘层隔离，取消了扩散硅压力传感器的PN结隔离，因此显著提高了传感器的工作温度。已有的多晶硅压力传感器，其压敏电阻由厚度为几百纳米至几微米的多晶硅薄膜(普通多晶硅薄膜)构成，因此也称为普通多晶硅压力传感器。普通多晶硅压力传感器由于制作工艺简单，成本低，可工作于高温环境下，因此在二十世纪八十年代得到迅速发展。通过研究发现，普通多晶硅压力传感器在实际应用中的一个不足就是不能同时获得高灵敏度和低温度系数，这一点与普通多晶硅薄膜的压阻特性有关。多晶硅压力传感器的灵敏度和多晶硅的应变系数成正比，而普通多晶硅的应变系数和温度系数都随着掺杂浓度的升高而减小，因此高灵敏度和低温度系数不能同时获得。随着纳米技术的不断发展，膜厚在100nm以下的多晶硅薄膜(多晶硅纳米膜)的压阻特性越来越受到关注。实验表明，重掺杂浓度的多晶硅纳米膜的应变系数不随掺杂浓度的升高而降低，这样利用多晶硅纳米膜制作的传感器可以同时获得高灵敏度和低温度系数。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种在保证高灵敏度的同时获得低温度系数、可同时实现压力和温度测量的带温度传感器的多晶硅纳米膜压力传感器及其制作方法。
本发明的目的是这样实现的：所述的带温度传感器的多晶硅纳米膜压力传感器，它是由单晶硅硅杯、绝缘层、多晶硅纳米膜压敏电阻和薄膜电阻组成的，单晶硅硅杯连接绝缘层，绝缘层连接多晶硅纳米膜压敏电阻和薄膜电阻。所述的单晶硅硅杯包括感压膜和周边固支结构，感压膜位于单晶硅硅杯上部，周边固支结构位于单晶硅硅杯两边。
本发明带温度传感器的多晶硅纳米膜压力传感器制作方法，所述的制作方法如下：由单晶硅通过腐蚀制作单晶硅硅杯，包括一个矩形感压膜和周边固支结构；利用化学气象淀积法在单晶硅硅杯的上部淀积一层二氧化硅或氮化硅作为绝缘层，然后在绝缘层上淀积制作4至8个多晶硅纳米膜压敏电阻，组成电桥来敏感压力的变化，多晶硅纳米膜压敏电阻是由膜厚小于100nm的多晶硅薄膜构成，是通过化学气象淀积法或直流溅射法制作的，并采用离子注入工艺进行掺杂，在单晶硅硅杯周边固支结构的上部制作金、银、铂、铝金属薄膜电阻或多晶硅薄膜电阻，薄膜电阻的阻值不受外界压力的影响；通过测量薄膜电阻的阻值可实现对温度的测量，测得的温度参数还可以进一步用来实现压力传感器的温度补偿。
本发明带温度传感器的多晶硅纳米膜压力传感器及其制作方法，所述的带温度传感器的多晶硅纳米膜压力传感器，属于一种应用在高温环境下，可提供高灵敏度和低温度系数，并能同时测量压力和温度的装置。本发明的优点在于：
1、充分利用多晶硅纳米膜独特的压阻特性，可保证压力传感器同时获得高灵敏度和低温度系数；
2、将压力测量单元和温度测量单元集成在一个芯片上，能够同时实现压力和温度的测量，减小芯片面积，降低成本；
3、测得的温度参数还可以进一步用来实现压力传感器的温度补偿。
(四)附图说明
图1为本发明的结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作进一步说明、
实施例1：结合图1，本发明一种带温度传感器的多晶硅纳米膜压力传感器，它是由单晶硅硅杯(1)、绝缘层(2)、多晶硅纳米膜压敏电阻(3)和薄膜电阻(4)组成的，单晶硅硅杯(1)连接绝缘层(2)，绝缘层(2)连接多晶硅纳米膜压敏电阻(3)和薄膜电阻(4)。
所述的单晶硅硅杯(1)包括感压膜(5)和周边固支结构(6)，感压膜(5)位于单晶硅硅杯(1)上部，周边固支结构(6)位于单晶硅硅杯(1)两边。
本发明带温度传感器的多晶硅纳米膜压力传感器制作方法，其制作方法如下：由单晶硅通过腐蚀制作单晶硅硅杯，包括一个矩形感压膜和周边固支结构；利用化学气象淀积法在单品硅硅杯的上部淀积一层二氧化硅或氮化硅作为绝缘层，然后在绝缘层上淀积制作4至8个多晶硅纳米膜压敏电阻，组成电桥来敏感压力的变化，多晶硅纳米膜压敏电阻是由膜厚小于100nm的多晶硅薄膜构成，是通过化学气象淀积法或直流溅射法制作的，并采用离子注入工艺进行掺杂，在单晶硅硅杯周边固支结构的上部制作金、银、铂、铝金属薄膜电阻或多晶硅薄膜电阻，薄膜电阻的阻值不受外界压力的影响；通过测量薄膜电阻的阻值可实现对温度的测量，测得的温度参数还可以进一步用来实现压力传感器的温度补偿。
实施例2：结合图1，本发明工作原理主要有以下两个方面：
1、将多晶硅纳米膜压敏电阻连接成惠斯通电桥，外界压力的变化将导致压敏电阻阻值的变化，从而导致电桥输出信号的变化，通过测量电桥的输出信号来实现对压力的测量；
2、薄膜电阻的阻值随温度的变化而变化，通过测量薄膜电阻的阻值来实现对温度的测量。
实施例3：本发明带温度传感器的多晶硅纳米膜压力传感器制作方法，所述的薄膜电阻作为传感器的温度测量单元，以铝薄膜电阻为例，其工艺步骤如下：
1.选取4英寸400μm厚N型(100)双面抛光单晶硅片，电阻率为2-4Ωcm；
2.硅片清洗后，高温热氧化生长二氧化硅绝缘层；
3.利用LPCVD技术在硅片正面淀积多晶硅纳米膜，淀积温度620℃，厚度为80-90nm；
4.利用离子注入技术对多晶硅纳米膜进行硼掺杂，然后在1100℃的氮气氛围内退火30分钟；
5.光刻多晶硅纳米膜压敏电阻；
6.采用真空镀膜机对硅片正面镀铝；
7.光刻背面硅杯窗口；
8.正面反刻铝，形成铝引线以及铝金属薄膜电阻，铝引线将压敏电阻连接成电桥形式，铝金属薄膜电阻即为温度测量单元；
9.正面淀积氮化硅作为钝化层；
10.硅杯腐蚀，形成感压膜和周边固支结构；
11.将硅片与玻璃静电键合。
12.划片并封装。

Claims (2)

1.一种带温度传感器的多晶硅纳米膜压力传感器制作方法，其特征在于：其工艺步骤如下：
(1)选取4英寸400μm厚N型晶向100的双面抛光单晶硅片，电阻率为2-4Ω·cm；
(2)硅片清洗后，高温热氧化生长二氧化硅绝缘层；
(3)利用LPCVD技术在硅片正面淀积多晶硅纳米膜，淀积温度620℃，厚度为80-90nm；
(4)利用离子注入技术对多晶硅纳米膜进行硼掺杂，然后在1100℃的氮气氛围内退火30分钟；
(5)光刻多晶硅纳米膜压敏电阻；
(6)采用真空镀膜机对硅片正面镀铝；
(7)光刻背面硅杯窗口；
(8)正面反刻铝，形成铝引线以及铝金属薄膜电阻，铝引线将压敏电阻连接成电桥形式，铝金属薄膜电阻即为温度测量单元；
(9)正面淀积氮化硅作为钝化层；
(10)硅杯腐蚀，形成感压膜和周边固支结构；
(11)将硅片与玻璃静电键合；
(12)划片并封装。
2.按照权利要求1所述的一种带温度传感器的多晶硅纳米膜压力传感器制作方法制作出的一种带温度传感器的多晶硅纳米膜压力传感器。 
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