CN102062662A - 一种单片集成SiC MEMS压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单片集成SiC MEMS压力传感器及其制备方法。该压力传感器包括嵌置了CMOS处理电路的第一衬底、开有压力腔的第二衬底和两衬底之间的电容感应薄膜；该薄膜由两层PECVD SiC薄膜夹上电极组成，悬浮于压力腔上；压力腔表面覆盖有下电极；压力腔上方的第一衬底部分开有深槽，露出上层的PECVD SiC薄膜；CMOS处理电路位于深槽的旁边，并与上电极接通。该传感器以低温淀积的SiC作为感应薄膜，器件性能好且适用于腐蚀性环境。同时，本发明采用post-CMOS方法加工，实现了传感器与处理电路的集成，从而提高了器件的整体精度和稳定性。

Description

一种单片集成SiC MEMS压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种SiC MEMS电容式压力传感器及其读出电路的集成方案，属于微机电系统领域。 

背景技术

近年来，随着MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术的不断发展和成熟，各类MEMS器件和系统在汽车、消费电子、生物医疗等领域的应用中大放异彩，成为高科技领域的研究热点和产业生力军，获得了广泛的关注。而硅基MEMS更是取得了巨大成功。 

压力传感器是MEMS最成功的产品之一，它已被广泛应用到汽车、工业加工、医疗事业和航天航空中。但是近年来，由于硅材料本身特性的限制，硅基器件在高温、高压、强腐蚀性的环境下很难应用(Thin Solid Films 355-356(1999)518-524)。SiC材料以其优异的电学、力学性能，以及化学稳定性，成为了硅材料的很好的替代品(Sensors andActuators 82(2000)210-218)。 

目前，在半导体工业中采用的SiC的制备方案主要有两种，一种是高温制备，另一种是低温制备。高温制备以LPCVD(低压化学气相淀积)为代表，制备温度通常在800℃以上，产生的SiC多为多晶结构，其力学电学性能都很高，化学性能也很稳定(IEEE SENSORS JOURNAL，VOL.4，NO.4(2004)464-470；IEEE SENSORS JOURNAL，VOL.6，NO.2(2006)316-324；IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，VOL.49，NO.12(2002)2323-2332)；而低温制备的SiC主要采用PECVD(等离子体增强化学气相淀积)，制备温度通常在400℃以下，加工出来的SiC力学电学性也不错，同时保持了化学稳定性(Sensors and Actuators A 67(1998)175-180；J.Micromech.Microeng.17(2007)775-780；J.Micromech.Microeng.17(2007)426-431)。相比之下，高温SiC的性能和稳定性更好，适合于高温高压等恶劣环境下应用，而低温SiC的优势在于生成温度低，工艺兼容性更好，可以直接在后续或之前的加工中引入传统微加工所需要的材料和工艺，同时加工出来的器件可以与处理电路集成，从而大大提高器件的精度和可靠性，并降低加工成本。 

到目前为止，许多商用的压力传感器大多是硅基的，不能适用于腐蚀性环境，而以高温SiC为材料的器件，很难与处理电路集成。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗腐蚀的单片集成SiC MEMS压力传感器，将低温淀积的PECVD SiC与压力传感器相结合得到SiC电容式压力传感器，并实现CMOS处理电路与SiC电容式压力传感器的单片集成。 

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种单片集成SiC MEMS压力传感器，包括第一衬底、CMOS处理电路、电容感应薄膜、第二衬底和下电极，其中：在第二衬底上开有压力腔；压力腔表面覆盖有下电极；电容感应薄膜覆盖在第二衬底的上表面，悬浮于压力腔上，该薄膜由两层PECVD SiC薄膜夹一金属层组成，所述金属层为上电极；第一衬底位于电容感应薄膜之上，第一衬底在压力腔的上方开有深槽，露出上层的PECVD SiC薄膜；CMOS处理电路嵌置于第一衬底的下表面，位于深槽的旁边，并与上电极接通。 

上述组成电容感应薄膜的两层SiC薄膜是通过PECVD技术淀积的SiC薄膜，其中上电极之上的为结构层，一般厚0.2μm～5μm；上电极之下的为介电层，一般厚0.1μm～1μm。上电极的厚度一般为0.1μm～1μm。 

优选的，上述第二衬底是玻璃衬底；压力腔深0.5μm～10μm；下电极是一金属层，厚0.1μm～1μm。 

优选的，上述第一衬底是硅衬底。所述CMOS处理电路是用CMOS工艺在硅片上加工出来的。 

进一步的，为了便于CMOS处理电路与外部的连接，在CMOS处理电路下方的电容感应薄膜部分设有隔离槽，这样最后划片时去除隔离槽下方的第二衬底部分就可以实现CMOS处理电路与外部的连接。 

本发明的单片集成SiC MEMS压力传感器中，在传感器方面采用了电容式传感原理，即在压力作用下引起薄膜形变，改变器件电容，从而反映压力大小。这种传感方式相比于传统的压阻感应方式的优势在于温度漂移小，但由于器件的电容变化量小，寄生电容大，所以在处理电路方面优选将电容的变化转化为电压的变化进行处理，利用连续时间电压读出电路(CTV)进行电容的测量。 

上述CTV电路包括C-V转化模块、放大器模块、解调模块和滤波模块四个主要部分，如图3所示。C-V转化模块将电容C的变化转化为电压的变化，放大器将C-V模块的微弱电压量进行放大，并通过解调模块和滤波模块得到输出。 

C-V转化模块是由四个电容组成的非平衡交流电桥，如图4所示，其中被测电容Cs和 其他三个固定电容C1、C2、Cr分别位于电桥的四个臂上，在四臂搭成的菱形结构的对角线AB之间加载一定频率的载波信号，在另一对角线XY两端引出输出线，X、Y两端得到电压差值就表示了Cs的大小，假设C1＝C2＝Cr＝C，可以简化得到： 

$\mathrm{Cs}=\frac{\mathrm{Us}+2U}{\mathrm{Us}-2U}C$

其中，C1、C2代表平衡电容，Cr代表参考电容，Cs代表传感器电容，Us代表交流信号的幅值，U表示X和Y两点幅值之差。 

从上式可以看到，知道X、Y两点之间的电压差，就可以得到传感器电容Cs的大小。 

C-V转化模块的输出X、Y分别与差分放大器的输入端+极和-极连接，如图3所示。 

图3中所示的放大器采用的是差分结构，因为差分结构可以更好的抑制共模噪声和电源噪声，同时，由于传感器的差分结构，这样可以方便的实现二者的连接。 

本发明优选采用全差分放大器作为图3中的放大器模块，例如图5所示全差分放大器，该放大器主要由两级放大结构、源跟随器和误差放大器三部分组成。源跟随器和误差放大器构成了这个放大器的共模反馈结构。此放大器采用了两级放大结构，这主要是因为对电容式传感器来说，需要放大器提供一个大的增益，以提高电路的线性度；同时为了使放大器的输入级与传感器匹配，第一级的增益不能太大，因此需要第二级放大结构提供一个大的增益。第一级放大结构的电路由MOS管M1、M2、M3、M4组成，其中M1和M2是PMOS管，作为输入管。因为PMOS管的1/f噪声要远小于NMOS管，同时PMOS管可以单独置于N阱中，固定N阱的电位，可以有效的屏蔽来自衬底的噪声，所以为了减小噪声，选择PMOS管作为输入管。第一级电路相当于用二极管连接的MOS管M3、M4作为负载的差动放大器。第二级放大结构的电路由MOS管M5-M12组成，这8个MOS管组成一个套筒式的共源共栅结构的运放，套筒式结构能够提供大的增益，同时功耗低，噪声也低，这对于传感器处理电路来说，是至关重要的。 

关于全差分套筒式共源共栅运放的极点，由于全差分结构避免了镜像极点和MOS管M5、M6漏端的极点，因此该运放仅有一个非主极点位于MOS管M11、M12漏端。而且M11、M12为NMOS管，由于NMOS管高跨导，这个非主极点位于较高的频率处。因此，这个电路很容易稳定的工作，也就不需要引入零点来消除这个极点，或者加入电容来使这个极点往更高频率处移动，也就节省了芯片的面积，更重要的是这样不会引入额外的噪声和寄生电容，也就不至于影响电路的分辨率。 

差分结构的电路需要有共模反馈电路，以稳定输出端的共模输出电压。在该放大器中， 共模反馈电路由两部分组成：源跟随器和误差放大器。MOS管M15-M18、两个电容C和两个电阻R构成了源跟随器，M15和M16检测输出端的共模电压，并且提供一个低阻输出，以便能将源跟随器与和两个电阻连接到输出，以精确的消除差模信号。左边部分的误差放大器将平均输出电压与参考电压进行比较，并将误差返回共源共栅结构。 

本发明还提供了上述单片集成SiC MEMS压力传感器的制备方法，包括以下步骤： 

1)采用CMOS工艺在第一衬底上制备出CMOS处理电路； 

2)采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)技术在第一衬底带有CMOS处理电路的一面淀积一层SiC薄膜作为结构层，并在该结构层SiC薄膜覆盖CMOS处理电路的位置形成一通孔作为电极接口； 

3)在结构层SiC薄膜表面溅射一层金属作为上电极； 

4)在上电极表面采用PECVD技术淀积另一层SiC薄膜作为介质层； 

5)在第二衬底上刻蚀出压力腔； 

6)覆盖压力腔在第二衬底表面淀积一层金属形成下电极； 

7)将第一衬底带有介质层SiC薄膜的一面和第二衬底带有下电极的一面键合在一起，其中CMOS处理电路位于压力腔的旁边； 

8)对键合后的第一衬底进行刻蚀，在压力腔上方形成深槽，露出结构层SiC薄膜。 

进一步的，上述方法中第一衬底优选采用硅衬底，第二衬底优选采用玻璃衬底。 

在步骤2)中可采用ICP(Inductively Coupled Plasma，感应耦合等离子体)技术刻蚀结构层SiC薄膜形成电极接口。 

在步骤7)采用静电键合的方法。 

在步骤8)湿法腐蚀第一衬底形成深槽。 

优选的，为了便于CMOS处理电路与外部连接，在步骤4)介质层形成后，刻蚀介质层、上电极和结构层形成隔离槽，露出部分CMOS处理电路，这样在器件制作完成时划片暴露隔离槽，完成单片集成SiC MEMS压力传感器与外部器件的连接。 

本发明的单片集成压力传感器的优点主要有：(1)结合CMOS工艺，完成了CMOS电路与SiC电容式压力传感器的post-CMOS集成，提高了器件的精度和稳定性；(2)电路部分和传感器部分分开加工，电路部分则可以在任意标准IC生产线上进行加工，从而提高了电路的可靠性和成品率；(3)以PECVD SiC为薄膜的电容式压力传感器，适用于腐蚀性环 境，降低了器件的封装成本。此外，本发明优选采用一种全新的放大器(如图5所示)来放大C-V转化电路产生的电压，该放大器具有较高的增益，理想的噪声表现，很高的闭环速度。 

附图说明

图1为本发明单片集成SiC MEMS电容式压力传感器的结构示意图。 

图2a-图2h为显示本发明实施例1制备单片集成SiC MEMS电容式压力传感器流程的结构示意图。 

图3为本发明所设计的连续时间电压读出电路的模块图。 

图4为本发明所设计的CMOS处理电路中C-V转化模块即非平衡交流电桥的示意图。 

图5为本发明所设计的的CMOS处理电路的全差分放大器的结构示意图。 

图6为本发明实施例2采用的电容-电压转换处理电路的示意图。 

图7为本发明实施例2的测试数据图(a)及数据局部放大图(b)。 

图8为本发明实施例3的测试数据图。 

具体实施方式

下面结合附图，通过实施实例对本发明作进一步描述，但不以任何方式限制本发明的范围。 

实施例1  电容式压力传感器的制备 

原始材料：双面抛光的N型硅片10，电阻率2～4Ω-cm，晶向<100>，硅片厚度为400μm；7740玻璃。 

如图1所示，该单片集成电容式压力传感器包括作为第一衬底的硅片1，CMOS处理电路2，作为结构层的SiC薄膜3，上电极5，作为介质层的SiC薄膜6，作为第二衬底的玻璃8，下电极10，以及压力腔9和深槽11，其制备过程如下： 

1、用CMOS工艺在硅片1上制造CMOS处理电路2，如图2a所示。 

2、用PECVD(等离子增强化学气相沉积)技术在硅片1上淀积0.2μm～5μm厚的SiC薄膜3，并在其上腐蚀形成一个通孔4作为电极接口，如图2b所示。 

其中，PECVD淀积SiC薄膜的条件为：压力700～1200mTorr，温度200～400℃，SiH₄流量20～60sccm，CH₄流量200～400sccm，Ar流量200～400sccm，腔内能量频率采用高低频交替方式，其中高频频率为12～15MHz，持续时间为10～20s，低频频率为300～500KHz，持 续时间为20～30s，两者的功率为200～400W。 

通孔4的形成是通过光刻定义出电极的图形，然后ICP刻蚀SiC薄膜3形成通孔4。 

3、在SiC薄膜3表面溅射一层金属作为上电极5，如图2c所示，溅射的条件为压力0～5.0pa，功率为200～400W。 

4、在上电极的表面PECVD淀积0.1μm～1μm厚的SiC薄膜6作为介质层，然后光刻定义出隔离槽的图形，然后ICP刻蚀介质层SiC薄膜6，腐蚀上电极金属层5，ICP刻蚀结构层SiC薄膜3，形成隔离槽7，如图2d所示。其中，PECVD的条件如上述步骤2所述。 

5、在玻璃8上光刻定义出压力腔图形，然后刻蚀0.5μm～10μm深的槽，形成压力腔9，如图2e所示； 

6、在该玻璃8上淀积一层金属，并图形化，形成下电极10，如图2f所示； 

7、将硅片1和玻璃8进行静电键合，如图2g所示； 

8、在硅片1的外表面对准光刻，然后用KOH腐蚀硅，在压力腔上方形成深槽11，露出SiC薄膜3，形成电容结构，如图2h所示。 

实施例2 

我们首先用BD031集成电路(如图6所示)来检测上述集成的压力传感器的器件部分(不包括CMOS处理电路)的性能。此集成电路是基于开关电容网络来实现将电容转化为电压功能的。图6中，Vout是输出信号，V_B是2.25伏的参考电压，C1和C2是输入电容，其中C1是传感器电容，C2是固定电容，C_F是反馈电容。 

通过PCB(印刷电路板)将BD031集成电路和传感器相连放入压力腔中，用商用的PPC2+压力校准器来控制压力腔中的气压，用安捷伦34401A万用表来测量电压变化，这两种仪器通过与电脑相连来控制电压数据和气压数据的实时性。测量温度在25℃到125℃之间，加载气压从30kPa到450kPa。 

图7显示了在50℃下的测量数据，其中(b)是(a)中数据的局部放大图。其中在100kPa到300kPa是近似的线性变化，线性度为2.35％，迟滞为1.35％。电压改变了399.5mV，灵敏度为1.984mV/kPa。在25℃到125℃之间其他温度下测试数据类似，热灵敏度漂移为0.037％FS/K。可见，本发明以PECVD SiC为薄膜的电容式压力传感器精度高，稳定性好。 

实施例3 

基于图4所示的电容器的电桥连接方式我们设计了一套针对整个集成传感器(器件部分 和CMOS处理电路)的测试方案，具体功能也是把不同的电容信号转化为电压信号。电路的原理图如图3所示。部分外接元件通过PCB板与集成传感器连接起来。同样用PPC2+压力校准器和安捷伦34401A万用表来测试。 

图8是常温下的测量结果。由图8可知在110kPa到300kPa之间数据有较好的线性度，这之间的线性度为4.0％，灵敏度为0.1585mV/kPa。 

Claims (10)

1.一种单片集成SiC MEMS压力传感器，包括第一衬底、CMOS处理电路、电容感应薄膜、第二衬底和下电极，其中：在第二衬底上开有压力腔；压力腔表面覆盖有下电极；电容感应薄膜覆盖在第二衬底的上表面，悬浮于压力腔上，该薄膜由两层PECVD SiC薄膜夹一金属层组成，所述金属层为上电极；第一衬底位于电容感应薄膜之上，第一衬底在压力腔的上方开有深槽，露出上层的PECVD SiC薄膜；CMOS处理电路嵌置于第一衬底的下表面，位于深槽的旁边，并与上电极接通。

2.如权利要求1所述的单片集成SiC MEMS压力传感器，其特征在于，上层的PECVD SiC薄膜厚0.2μm～5μm；下层的PECVD SiC薄膜厚0.1μm～1μm。

3.如权利要求1所述的单片集成SiC MEMS压力传感器，其特征在于，所述压力腔深0.5μm～10μm。

4.如权利要求1所述的单片集成SiC MEMS压力传感器，其特征在于，所述第一衬底是硅衬底，所述第二衬底是玻璃衬底。

5.如权利要求1所述的单片集成SiC MEMS压力传感器，其特征在于，所述CMOS处理电路为连续时间电压读出电路，包括C-V转化模块、放大器模块、解调模块和滤波模块，其中C-V转化模块将电容变化转化为电压变化，放大器将C-V模块的微弱电压量进行放大，并通过解调模块和滤波模块得到输出；所述C-V转化模块是由四个电容组成的非平衡交流电桥，被测电容和三个固定电容分别位于电桥的四个臂上，在四臂搭成的菱形结构的一对角线之间加载一定频率的载波信号，在另一对角线两端引出输出线，输入到放大器模块的输入端。

6.如权利要求5所述的单片集成SiC MEMS压力传感器，其特征在于，所述放大器模块是全差分放大器。

7.如权利要求6所述的单片集成SiC MEMS压力传感器，其特征在于，所述全差分放大器主要由两级放大结构、源跟随器和误差放大器三部分组成，其中源跟随器和误差放大器构成了该放大器的共模反馈结构。

8.如权利要求7所述的单片集成SiC MEMS压力传感器，其特征在于，所述两级放大结构中第一级放大结构是输入管为PMOS管，用二极管连接的NMOS管作为负载的差动放大器；第二次放大结构是由8个MOS管组成的套筒式的共源共栅结构的运放。

9.权利要求1～8任一所述单片集成SiC MEMS压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)采用CMOS工艺在第一衬底上制备出CMOS处理电路；

2)采用等离子体增强化学气相淀积技术在第一衬底带有CMOS处理电路的一面淀积一层SiC薄膜作为结构层，并在该结构层SiC薄膜覆盖CMOS处理电路的位置形成一通孔作为电极接口；

3)在结构层SiC薄膜表面溅射一层金属作为上电极；

4)在上电极表面采用等离子体增强化学气相淀积技术淀积另一层SiC薄膜作为介质层；

5)在第二衬底上刻蚀出压力腔；

6)覆盖压力腔在第二衬底表面淀积一层金属形成下电极；

7)将第一衬底带有介质层SiC薄膜的一面和第二衬底带有下电极的一面键合在一起，

其中CMOS处理电路位于压力腔的旁边；

8)对键合后的第一衬底进行刻蚀，在压力腔上方形成深槽，露出结构层SiC薄膜。

10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在步骤4)介质层形成后，刻蚀介质层、上电极和结构层形成隔离槽，露出部分CMOS处理电路。

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