CN102998037B - 介质隔离压阻式压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种介质隔离压阻式压力传感器，包括SOI硅片以及键合的下盖板（6），SOI硅片的顶层硅（5c）中设置的压敏体电阻（1）周围设有隔离介质（2a），顶层硅（5c）表面设有氧化隔离层（2），其表面设有铝电极（4）与对应的压敏体电阻（1）连接；SOI硅片的底层硅（5）中设有空腔及硅岛（5a）。本发明有效的解决了传统压阻式压力传感器灵敏度、线性度、可靠性低和电隔离差的难题，同时采用顶层硅作为压敏体电阻的厚度有效的保证了后期工艺高温环境对器件性能的影响，保证了器件性能的一致性和稳定性，采用硅硅键合等工艺，避免了新材料引入的应力，实现器件的高性能，该结构加工工艺易于控制，保证了结构加工的一致性。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械系统领域，具体涉及到一种介质隔离压阻式压力传感器及其制备方法，用来解决传统压阻式压力传感器线性度低和压敏电阻高温漏电的难题。
背景技术
MEMS压力传感器是测量压力的传感器件，是使用极为广泛的一种传感器，具有体积小、重量轻、灵敏度高、精度高，动态特性好，耐腐蚀、零位小等优点。按照读出机制的不同，常见的MEMS压力传感器有三种：压阻式、电容式和压电式MEMS压力传感器。其中用量最大的是压阻式MEMS压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性，同时处理电路简单，可以大批量生产等优点获得了大量的应用。压阻式MEMS压力传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制作的,它是近30年来发展非常迅速的一种新型传感器。
压阻式压力传感器包括三个主要组成部分：压敏电阻、应力薄膜和硅岛。其中由四个压敏电阻构成惠斯通电桥，将作用在传感器上压力，通过薄膜的应力变化转换成压敏电阻阻值的变化，再经相应的测量电路检测出这个变化的阻值，最后，度量出作用在薄膜上的被测压力的大小。早期的压力传感器大都采用方形薄膜或者硅岛结构，该种结构的压力传感器由于电阻是通过离子注入的方式制作，利用PN结的反偏进行电隔离，该种压敏电阻条易漏电，达不到目前的使用要求，同时压敏电阻条的结深对器件的灵敏度、线性度影响较大，在该种结构的器件加工过程中，涉及到高温等条件，会影响器件的性能，从而使得器件的性能较为离散和不稳定。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有的常规压阻式压力传感器存在的线性度低、高温漏电的难题，提供的一种介质隔离压阻式压力传感器及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种介质隔离压阻式压力传感器，其特征在于包括：SOI硅片以及键合连接的下盖板，SOI硅片的顶层硅中设有一组压敏体电阻，压敏体电阻周围设有隔离介质，顶层硅表面设有氧化隔离层，氧化隔离层的表面设有一组铝电极，每个铝电极分别通过导线与对应的压敏体电阻连接；SOI硅片的底层硅中设有空腔，空腔中部设有凸起的硅岛。
在上述技术方案的基础上，可以有以下进一步的技术方案：
所述的一组压敏体电阻分别布设在顶层硅四边的中间位置。
本发明还包括一种介质隔离压阻式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）、SOI硅片表面淀积氮化硅；
（2）、SOI硅片底层硅光刻、腐蚀形成空腔及硅岛；
（3）、SOI硅片顶层硅正面光刻、刻蚀出体电阻的隔离槽，隔离槽中的顶层硅形成压敏体电阻；
（4）、SOI硅片热氧化，在隔离槽中填充绝缘介质；
（5）、SOI硅片双面去除氮化硅；
（6）、SOI硅片双面生长氧化绝缘层；
（7）、SOI硅片顶层硅正面光刻压敏电阻接线孔；
（8）、SOI硅片顶层硅正面溅射铝，光刻铝电极、铝布线图形，并腐蚀形成电极铝及铝布线；
（9）、SOI硅片底层硅与下盖板键合，进行下盖板真空封装。
本发明的压敏体电阻是利用SOI硅片顶层硅并采用等离子刻蚀技术制作，布局在顶层硅四边的中间位置，在敏感外界载荷的作用时，底层硅由于外部压力的作用发生变形，从而带动压敏体电阻的变形，由于其位于顶层硅中间部分，根据底层硅薄膜应变特点可以知道，此时作用于压敏电阻条上的剪切压力相互抵消，纵向应变最大程度的作用在敏感电阻上，从而极大的提高了结构的灵敏度和线性度，同时该结构实现了体电阻与基体之间充分利用SOI硅片的中间氧化层和填充绝缘介质进行隔离，极大的提高了器件的电隔离性，解决了器件在高温条件下漏电的难题；通过SOI硅片的顶层硅的厚度来实现确立体电阻的厚度，保证了体电阻的厚度均匀一致，消除了后期工艺过程中的高温对电阻的影响，保证了器件的性能一致；采用硅岛结构，则具有硅岛处的压力敏感膜刚度较大，在敏感外部载荷时将应力等效集中在体电阻处，提高结构的灵敏度，同时当结构过载时，硅岛与下基体中间的距离限制其位移，从而避免了在大过载条件下对结构造成的损坏，实现了结构的抗高过载性能。
该结构采用干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的工艺，基于SOI硅片材料进行加工制作。利用湿法腐蚀凸角保护技术实现背部硅岛的腐蚀加工，然后采用硅硅键合工艺实现下盖板的封装键合；芯片上部采用干法刻蚀和介质填充实现压敏体电阻的制作。
本发明的有益效果：本发明有效的解决了传统压阻式压力传感器灵敏度、线性度、可靠性低和电隔离差的难题，同时采用顶层硅作为压敏体电阻的厚度有效的保证了后期工艺高温环境对器件性能的影响，保证了器件性能的一致性和稳定性，采用硅硅键合等工艺，避免了新材料引入的应力，实现器件的高性能，该结构加工工艺易于控制，保证了结构加工的一致性。
附图说明
图1是本发明的介质隔离压阻式压力传感器俯视图；
图2是本发明的介质隔离压阻式压力传感器剖面图；
图3 是SOI硅片淀积氮化硅示意图；
图4 是SOI硅片底层硅背腔光刻、腐蚀示意图；
图5 是SOI硅片正面刻蚀隔离槽形成体电阻的示意图；
图6 是SOI硅片顶层硅采用热氧化，在隔离槽中填充绝缘介质的示意图；
图7 是SOI硅片双面去除氮化硅的示意图；
图8 是SOI硅片双面热氧化生长氧化层的示意图；
图9 是SOI硅片正面刻蚀电极通孔的示意图；
图10 是SOI硅片正面溅射铝并光刻、腐蚀形成铝电极及铝导线的示意图；
图11 是SOI硅片底层硅与下盖板键合示意图。
具体实施方方式：
一、如图1、图2所示，本发明提供的一种介质隔离压阻式压力传感器，包括：SOI硅片以及键合连接的下盖板（硅片）6，SOI硅片的顶层硅5c中设有一组四个压敏体电阻1，分别布设在顶层硅5c四边的中间位置，压敏体电阻1周围设有隔离介质2a，顶层硅5c表面设有氧化隔离层2，氧化隔离层2的表面设有一组五个铝电极4分别布设在氧化隔离层2的角部位置，每个铝电极4分别通过导线与对应的压敏体电阻1连接。SOI硅片的底层硅5中设有空腔，空腔中部设有凸起的硅岛5a，底层硅5与下盖板（硅片）6键合连接。
所述SOI硅片包括顶层硅5c、中间绝缘层5b和底层硅5，所述绝缘层、氧化隔离层以及隔离介质，都是氧化工艺形成的SiO2。
二、本发明提供的一种介质隔离压阻式压力传感器的制备方法，基于SOI硅片，利用MEMS现有的体硅工艺进行加工制作，具体工艺步骤为：
（1） SOI硅片清洗后，在SOI硅片双面都淀积一层氮化硅8，如附图3所示；
（2） SOI硅片背面的底层硅5采用光刻、腐蚀工艺形成空腔及硅岛5a，如附图4所示；
（3） SOI硅片正面顶层硅5采用光刻、刻蚀工艺，刻蚀出隔离槽9至绝缘层5b，隔离槽9包围的顶层硅即为压敏体电阻1，如附图5所示；
（4） SOI硅片采用热氧化工艺，在隔离槽9内生长绝缘介质2a，即SiO2，如附图6所示；
（5） SOI硅片双面去除氮化硅，如附图7所示；
（6） 采用热氧化工艺，在SOI硅片双面分别生长氧化隔离层2，即SiO2，如附图8所示；
（7） SOI硅片正面光刻与体电阻1联通的接线孔12，作为后期铝布线形成欧姆接触用，如附图9所示；
（8） SOI硅片正面采用溅射工艺，溅射一层金属铝，接线孔12中形成与体电阻1接触的引线13，然后经过光刻、腐蚀工艺，形成铝电极4及相应的铝布线，如附图10所示；
（9） SOI硅片背面的底层硅5与下盖板6进行键合，进行下盖板真空封装，完成整体结构制作，如附图11所示。
Claims (1)
1. 一种介质隔离压阻式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）、SOI 硅片表面淀积氮化硅；
（2）、SOI 硅片底层硅光刻、腐蚀形成空腔及硅岛；
（3）、SOI 硅片顶层硅正面光刻、刻蚀出体电阻的隔离槽，隔离槽中的顶层硅形成压敏体电阻；
（4）、SOI 硅片热氧化，在隔离槽中填充绝缘介质；
（5）、SOI 硅片双面去除氮化硅；
（6）、SOI 硅片双面生长氧化绝缘层；
（7）、SOI 硅片顶层硅正面光刻压敏电阻接线孔；
（8）、SOI 硅片顶层硅正面溅射铝，光刻铝电极、铝布线图形，并腐蚀形成电极铝及铝布线；
（9）、SOI 硅片底层硅与下盖板键合，进行下盖板真空封装。
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