CN102980695A

CN102980695A - 一种基于soi硅片的mems压阻式绝对压力传感器

Info

Publication number: CN102980695A
Application number: CN2012105008956A
Authority: CN
Inventors: 黄贤; 张大成; 赵丹淇; 林琛; 何军; 杨芳; 田大宇; 刘鹏; 王玮; 李婷; 罗葵
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2032-11-29
Also published as: CN102980695B

Abstract

本发明提供一种MEMS压阻式绝对压力传感器，包括设有四边形槽的基片，以及制作于该槽侧壁的四组压敏电阻，所述四组压敏电阻构成惠斯通电桥，所述四边形槽的两个相对的侧壁沿所述基片的<100>晶向排列，另外两个相对的侧壁沿所述基片的<110>晶向排列。其制作步骤为：在基片正面光刻定义P型重掺杂的引线接触区，进行离子注入和高温热退火；在基片正面光刻定义槽的形状并刻蚀四边形槽；通过P型离子注入轻掺杂进行侧壁上压敏电阻的掺杂，并进行高温热退火；制作引线孔和金属引线；划片。本发明不含应变膜，能够降低传感器的芯片尺寸，显著增加传感器的抗过载能力，提高了工艺的可靠性与器件的成品率。

Description

一种基于SOI硅片的MEMS压阻式绝对压力传感器

技术领域

本发明属于微电子机械系统（MEMS）传感器设计领域，涉及一种MEMS压阻式绝对压力传感器，以及采用MEMS加工工艺方法在单个圆片上制作该压力传感器的方法。

背景技术

MEMS（Micro Electro Mechanical System）即微电子机械系统，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了广泛的应用。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在应力集中区制作四个压力敏感电阻，四个电阻互联构成惠斯通电桥。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。

传统的压阻式压力传感器的核心构成需要有一个应变膜作为应力集中结构，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该应变膜的厚度和尺寸等有关。由于应变膜的存在，受制于硅材料的断裂强度，传统压阻式压力传感器的抗过载能力有限，在高压的应用领域中的压阻式压力传感器都与抗过载能力较低的不足。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出一种新的基于SOI硅片的无应变膜结构的MEMS压阻式绝对压力传感器，以及制作该压力传感器的方法。该压力传感器相比典型器件结构最大的差异在于没有了应力集中作用的应变膜，该方法能够降低传感器的芯片尺寸，极大的增加压力计的抗过载能力；同时该设计加工方法与标准体硅压阻式压力传感器的加工工艺兼容，器件加工成本低，具有较高的成品率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种MEMS压阻式绝对压力传感器，包括设有四边形槽的基片，以及制作于该槽侧壁的四组压敏电阻，所述四组压敏电阻构成惠斯通电桥，所述四边形槽的两个相对的侧壁沿所述基片的<100>晶向排列，另外两个相对的侧壁沿所述基片的<110>晶向排列。

进一步地，所述压敏电阻制作于SOI（Silicon on insulator）硅片的(100)晶面。

进一步地，每组压敏电阻中压敏电阻条的数目为一个，或者由多个串联而成。

进一步地，所述四组压敏电阻可以串联成开环或闭环结构。优选地，所述四组压敏电阻首尾相连组成一个菱形，菱形对边的压敏电阻沿同一晶向（即上述<100>晶向或<110>晶向）排列。在菱形的四个顶点处设有四个金属pad（焊盘），作为电信号输入输出接口。

一种制备上述MEMS压阻式绝对压力传感器的方法，其步骤包括：

1)在基片正面通过光刻定义P型重掺杂的引线接触区，并通过离子注入制作该重掺杂接触区，然后通过高温热退火激活注入离子；

2)在基片正面通过光刻定义槽的形状，然后通过刻蚀的方式制作四边形槽；

3)在基片正面通过P型离子注入轻掺杂完成所述四边形槽的四个侧壁上压敏电阻的掺杂，然后通过高温热退火激活注入离子；

4)在基片正面制作引线孔和金属引线；

5)划片，制成压力传感器芯片。

步骤2）所述刻蚀可以采用干法或湿法；干法优选采用RIE刻蚀（反应离子刻蚀），湿法优选为HNA溶液各向同性腐蚀。当采用SOI硅片作为器件基片时，刻蚀一直进行到露出硅片的埋氧层。

采用上述工艺能够完成无应变膜结构的MEMS压力传感器的制作，压敏电阻分布于基片上浅槽的侧壁上，压敏电阻条的一个侧面能够感受外界环境的压力(气体压力或者液体压力)；组成惠斯通电桥的两对压敏电阻分别沿不同晶向，沿<110>晶向分布的压敏电阻受到侧面的压力作用使其电阻值增大；沿<100>晶向的压敏电阻由于<100>晶向的压阻系数约等于零，其电阻阻值不变。在惠斯通电桥的作用下，电阻值的变化转换为电压电流的变化。由于该设计的压力传感器没有应变膜，在高压环境下没有膜结构的变形，能够克服高压压力计抗过载能力不足的缺点。

本发明为MEMS领域的工艺人员提供了一种高压绝对压力传感器及其制作方法，这种方法加工的压力传感器（压力计）具有更好的性能和较高的工艺可靠性。具体来说，本发明具有以下优势：

1）本发明的MEMS压阻式压力传感器能够应用在极高压以及高温的环境下；

2）本发明的压力传感器制备方法，其工艺流程仅有四次光刻工艺（步骤1）、2）各一次，步骤4）中引线孔和金属引线各需一次光刻），且与传统IC表面加工工艺兼容；工艺难度比较低，易获得较高的成品率；

3）本发明压力传感器其结构设计合理，采用SOI基片能够避免器件在高温环境下产生的泄漏电流；

4）本发明设计的器件没有应变膜结构，避免了传统应变膜结构压力计加工过程中应变膜制作时由于工艺条件波动造成的应变膜厚度的波动以及进一步带来的器件性能的波动问题，提高了工艺的可靠性与器件的成品率。

附图说明

图1为具体实施例中无应变膜SOI硅片绝压压力计工艺流程示意图，其中：

图1(a)为芯片基片的示意图；

图1(b)为离子注入方式掺杂制作重掺杂接触区的示意图；

图1(c)为制作正面制作四边形浅槽区的示意图；

图1(d)为通过离子注入方式在侧壁上制作压敏电阻的示意图；

图1(e)为制作引线接触孔和金属引线的示意图。

图2为实施例中压力传感器的结构示意图。

图中：1—基片；2—氧化层；3—重掺杂接触区；4刻蚀得到的四边形浅槽；5—压敏电阻；6—引线孔以及金属引线；7—<100>晶向压敏电阻；8—<110>晶向压敏电阻。

图3为实施例中压力传感器的开环情况的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并配合附图，对本发明做进一步的说明。

本实施例的MEMS压阻式压力传感器的制备方法，在硅片表面完成菱形浅槽的刻蚀后通过离子注入的方式在菱形浅槽的四个侧壁上制作压敏电阻。该方法的步骤包括：

1)选择（100）晶面的SOI（silicon on insulator）硅片作为芯片基片；

2)在基片正面通过离子注入的方式制作P型重掺杂接触区，完成后采用高温热退火激活注入的杂质；

3)光刻定义正面浅槽的形状，反应离子刻蚀的方式制作浅槽；完成后采用高温热退火激活注入的杂质；

4)在基片正面通过离子注入方式在浅槽的四个侧壁上制作压敏电阻；

5)在基片正面通过光刻定义金属引线孔的形状，然后通过刻蚀制作金属引线孔；

6）在基片上垫积金属铝，通过光刻定义金属引线的图形，通过湿法腐蚀方式制作金属引线，然后进行金属铝合金化工艺；

7）划片，制成压力传感器芯片。

下面提供一个具体制备实例，如图1所示，该MEMS压阻式压力传感器的制造工艺为：

a）备片：（100）晶向的SOI硅基片作为芯片的基片1，里面包含埋氧层（氧化层）2，基片厚度为400um，如图1(a)所示；

b）采用标准压阻工艺在硅片上制作重掺杂接触区3，如图1(b)所示，包括：热氧化SiO₂

离子注入B^＋；硼推进；

c）采用反应离子刻蚀方式制作浅槽4，如图1(c)所示，包括：光刻浅槽区，RIE SiO₂；RIE单晶硅；

d）通过离子注入方式制作压敏电阻5，如图1(d)所示，包括：倾斜方式离子注入B^＋，硼推进；

e）制作引线孔（即接触孔）和金属引线6，如图1(e)所示，金属pad即在该步骤形成，具体包括：

LPCVD（低压化学气相淀积）SiO₂

正面光刻引线孔；RIE SiO₂；溅射Al，0.8-1.0um；光刻金属引线；湿法腐蚀Al；进行Al合金化工艺；

f）划片，该步骤将整个硅片切割成小片，每个小片是一个完整的压力计，每个硅片根据设计的压力计的大小不同可以分割出100到200个压力计小片。

图2为压力传感器的整体结构示意图，主要由侧壁压敏电阻和金属pad构成。压敏电阻位于浅槽的四个侧壁上，组合形状呈菱形排列，菱形中的压阻条分别沿着<100>和<110>晶向排列。金属pad和重掺杂的接触区位于菱形的四个端点处。

本发明的压力传感器中，压阻条的数目不限于图2中的数目，每个方向上的压阻条可以由多个相同方向的压阻条串联构成。

上述实施例中的惠斯通电桥选择了闭环方式的压阻条的串联结构作例子说明，在其它实施例中，同样可以采用开环方式的压阻条串联结构。图3所示为该器件结构开环方式下的器件示意图，采用开环的方式制作器件时，只需要在刻蚀浅槽步骤的光刻板上增加图3所示的沟槽即可。原来串联的电桥被分开，因此也多了一个金属pad，方便测试，在器件实际工作时只需在外部将分开的pad连接上即可。

本发明的突出特点是惠斯通电桥的压敏电阻直接相连串联在一起，可以最大限度的降低压力传感器芯片的尺寸。上述实施例中的工艺仅是选择了典型压阻条的串联结构作例子说明，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以针对本发明中压阻条的结构和尺寸选择做一定的变化和修改。本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims

1.一种MEMS压阻式绝对压力传感器，其特征在于，包括设有四边形槽的基片，以及制作于该槽侧壁的四组压敏电阻，所述四组压敏电阻构成惠斯通电桥，所述四边形槽的两个相对的侧壁沿所述基片的<100>晶向排列，另外两个相对的侧壁沿所述基片的<110>晶向排列。

2.如权利要求1所述的MEMS压阻式绝对压力传感器，其特征在于：所述基片为SOI硅片，所述压敏电阻制作于所述SOI硅片的(100)晶面。

3.如权利要求1所述的MEMS压阻式绝对压力传感器，其特征在于：每组压敏电阻包含一个或串联的多个压敏电阻条。

4.如权利要求1所述的MEMS压阻式绝对压力传感器，其特征在于：所述四组压敏电阻串联成开环或闭环。

5.如权利要求4所述的MEMS压阻式绝对压力传感器，其特征在于：所述四组压敏电阻串联成菱形。

6.如权利要求5所述的MEMS压阻式绝对压力传感器，其特征在于：在所述菱形的顶点处设有金属pad。

7.一种制备上述MEMS压阻式绝对压力传感器的方法，其步骤包括：

2)在基片正面通过光刻定义槽的形状，然后通过刻蚀的方式制作四边形槽；所述四边形槽的两个相对的侧壁沿所述基片的<100>晶向排列，另外两个相对的侧壁沿所述基片的<110>晶向排列；

3)在基片正面通过P型离子注入轻掺杂进行所述侧壁上压敏电阻的掺杂，然后通过高温热退火激活注入离子；

4)在基片正面制作引线孔和金属引线；

5)划片，制成压力传感器芯片。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：采用干法或是湿法进行步骤2）所述刻蚀。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述干法为RIE刻蚀，所述湿法为HNA溶液各向同性腐蚀。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：在制作所述四边形槽时，还包括制作沟槽，以形成开环的压敏电阻串联结构。