CN103257005B - 电容式压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种可以用于压力测量的电容式压力传感器及其制造方法，该制造方法利用表面硅微细加工工艺，在硅衬底上淀积氧化硅牺牲层，随后在牺牲层上淀积多晶硅薄膜来作为压力敏感膜。通过多晶硅敏感膜上开的牺牲层释放孔将牺牲层部分腐蚀掉形成电容间隙。而多晶硅敏感膜上的牺牲层释放孔则又通过再次淀积多晶硅薄膜进行填充，从而形成密封腔体。最后，将多晶硅敏感膜上再次刻蚀出导气孔，并通过物理气相淀积(PVD)的方法用金属将此导气孔密封，从而在密封腔体内形成真空。

Description

电容式压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种电容式压力传感器及其制造方法，属于微机电系统(MEMS) 传感器领域。

背景技术

压力传感器是将压力信号转化为电学信号的换能器，是商业化的传感器中的重要组成部分。与其它电子元器件一样，随着应用的普及及需求量的增加，压力传感器的发展趋势是体积小、灵敏度高、功耗小、价格低、可靠性高等。

而目前MEMS技术正推动着半导体界“超越摩尔定律”的变革，在国内外得到了迅猛的发展。世界正经过昨天的真空电子管时代，跨越现在的固体电子时代进入明天的MEMS时代。MEMS做为近年来高速发展的一项高新技术，它采用先进的半导体制备工艺，批量实现MEMS器件的制备。与对应传统压力传感器相比，采用MEMS技术制备的压力传感器在体积、功耗、重量以及价格等方面有十分明显的优势。所以，采用先进MEMS技术制作的压力传感器是未来主流的技术发展方向。

按照工作原理的不同，压力传感器主要分为压阻式、电容式以及压电式等。目前，压阻式压力传感器由于其制造工艺与半导体工艺兼容性高，制造工艺简单，接口电路简单等优点，是目前压力传感器的主流技术。但是压阻式压力传感器却有着温度特性差，灵敏度低，功耗大等缺点，并不适合一些低功耗及精度高的应用领域。

而随着MEMS加工工艺的成熟，加上电容式压力传感器本身尺寸小，成本低，温度特性好、精度高、功耗低等诸多优点，使得电容式压力传感器技术得到越来越多的关注。

电容式压力传感器是将压力信号变成电容信号的换能器。其工作原理为可变电容，其中可变电容的一个或两个电极由压力敏感膜形成，在外界压力作用下，作为电容电极的压力敏感膜产生变形导致电容间隙发生改变，从而导致电容值发生改变。此电容值的改变通过后续电路的处理变成电压或者电流信号。

国外有一些公司采用绝缘衬底上的硅SOI材料来制作电容式压力传感器。其主要思路为通过腐蚀掏空SOI氧化硅埋层形成电容的真空间隙，而用SOI材料上下的硅材料作为电容的上、下电极板。此制造方法避免了上述多晶硅来做压力敏感膜的一系列问题，从而提高了器件的可制造性，提高了良率。但是，此制造方法利用SOI的氧化硅埋层作为牺牲层，所以有着较多的工艺限制。首先，氧化硅的厚度即为最终电容间隙的厚度，通常SOI氧化硅埋层的厚度较薄，这样就限制了电容式压力传感器的一些设计灵活性；其次，由于SOI氧化硅埋层没有腐蚀自停止边界，所以整个长时间的腐蚀释放牺牲层氧化硅工艺只能通过时间控制，从而使工艺较难控制进而导致最终器件离散性较大，降低了成品率；再次，此工艺依然需要将释放孔密封形成真空腔的工艺，增加了工艺复杂性。所以，虽然此制造方法有部分公司采用，但是并未成为工业界的主流工艺。

为解决上述问题，部分公司采用预先在硅衬底表面形成凹槽来作为电容间隙的方式，通过晶圆级硅硅键合技术，将两片硅衬底键合在一起，两片硅衬底分别作为电容的两个电极，来制作电容式压力传感器。此方法避免了复杂的氧化硅牺牲层掏空工艺以及将释放孔密封形成真空腔的工艺，大大提高了工艺可制造性。此外，在硅片的键合面还可设有防止压力敏感膜过度变形的止挡块，通过止挡块的设计限制了感压薄膜的最大位移，以实现传感器常压保存与过载保护的功能。但是，此方法却有着较大的寄生电容，大大降低了器件的性能，此外，此方法制造成本也比较昂贵，目前也并未成为工业界的主流制作方法。

综上所述，进行工艺简单、体积小、精度高、低功耗及低成本的电容式压力传感器及其制备方法的研究对整个压力传感器技术领域的进步和相关产业的发展具有积极的推动作用。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种低成本、工艺简单的电容式压力传感器及其制造方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案: 一种电容式压力传感器的制造方法，其包括如下步骤：

a) 在衬底上进行重掺杂，得到重掺杂层作为电容式压力传感器的下极板，随后在所述下极板上淀积氧化硅以形成牺牲层；

b) 在所述牺牲层上淀积第一多晶硅层，并在该第一多晶硅层上形成牺牲层释放孔；

c) 将所述牺牲层从牺牲层释放孔处进行掏空，以形成电容间隙；

d) 在所述第一多晶硅层上淀积第二层多晶硅以密封住所述牺牲层释放孔，从而将所述电容间隙变成密闭空腔，所述第二层多晶硅作为所述电容式压力传感器的上极板，所述第一层多晶硅及所述第二层多晶硅组成压力敏感膜；

e) 将上述压力敏感膜进行光刻及刻蚀，形成将电容间隙与外部气体连通的导气孔；

f) 将牺牲层局部去除掉以露出下极板，而没有被去除的牺牲层形成用以支撑压力敏感膜的锚点；

g) 将金属分别淀积在下极板及第二层多晶硅上以形成第一压焊点及第二压焊点，同时，所述导气孔被金属密封，进而将所述电容间隙变成密闭的真空腔体。

作为本发明进一步改进的技术方案，步骤a)中，所述淀积包括但不限于低压化学气相淀积(LPCVD)及等离子增强气相淀积(PECVD)。

作为本发明进一步改进的技术方案，步骤b)中，通过对该第一多晶硅层进行掺杂与光刻来形成所述牺牲层释放孔。

作为本发明进一步改进的技术方案，步骤c)中，通过氢氟酸湿法腐蚀或者氟化氢气体甚高频刻蚀，以将所述牺牲层进行掏空。

作为本发明进一步改进的技术方案，步骤d)中，在第二多晶硅层密封住所述牺牲层释放孔后，对该第二多晶硅层进行掺杂，所述掺杂的方法包括但不限于扩散或离子注入。

作为本发明进一步改进的技术方案，步骤e)中，所述导气孔是通过对所述压力敏感膜进行光刻及刻蚀而形成的。

作为本发明进一步改进的技术方案，步骤f)中，通过氢氟酸湿法腐蚀或者氟化氢气体甚高频刻蚀，并利用多晶硅作为掩膜，将牺牲层局部去除掉以露出下极板。

作为本发明进一步改进的技术方案，步骤g)中，所述金属是通过物理气相淀积(PVD)分别淀积在下极板及第二多晶硅层上，并随后进行光刻和刻蚀，才最终形成所述第一压焊点及所述第二压焊点。

为解决上述技术问题，本发明还采用如下技术方案: 一种电容式压力传感器，其包括衬底、覆盖在衬底上的下极板、与下极板相对的压力敏感膜、位于下极板与压力敏感膜之间的电容间隙、及环绕于电容间隙外围且用以支撑所述压力敏感膜的锚点，所述压力敏感膜及所述下极板分别作为所述电容式压力传感器的两个电极，所述电容式压力传感器还包括分别淀积在所述下极板及所述压力敏感膜上的第一压焊点及第二压焊点，所述压力敏感膜设有将电容间隙与外界气体相互连通的导气孔，所述导气孔被金属密封进而最终使所述电容间隙变成密闭的真空腔体。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述压力敏感膜包括第一多晶硅层及覆盖在所述第一多晶硅层上的第二多晶硅层，所述第二多晶硅层及所述下极板分别作为所述电容式压力传感器的所述两个电极，所述第二压焊点淀积在所述第二多晶硅层上，所述导气孔贯穿所述第一多晶硅层及所述第二多晶硅层。

与现有技术相比，本发明采用表面硅微细加工工艺来制造电容式压力传感器，解决了SOI工艺中释放时间长且工艺难控制的问题，同时也解决了SOI工艺形成的器件寄生电容较大的问题，且制造工艺简单、成本低、可制造性强，适合大规模生产。

附图说明

图1A至图1G为本发明电容式压力传感器的制造流程示意图；

图2为本发明电容式压力传感器的立体示意图；

图3为本发明电容式压力传感器的俯视图；

图4为本发明电容式压力传感器沿C-A-B线的立体剖面图。

具体实施方式

下面参照本发明的附图，更详细的描述出本发明的具体实施方式。

本发明揭示了一种电容式压力传感器20及其制造方法，请参如图1A至1G所示，其中本发明电容式压力传感器的制造方法包括如下步骤：

a) 请参图1A所示，首先在衬底21a上进行重掺杂，得到导电性高的重掺杂层作为本发明电容式压力传感器100的下极板21b，随后在所述下极板21b上淀积氧化硅以形成牺牲层22。淀积方法包括但不限于低压化学气相淀积(LPCVD)及等离子增强气相淀积(PECVD)。所述衬底21a为硅衬底。

b) 请参图1B所示，在所述牺牲层22上淀积第一多晶硅层23a，并对该第一多晶硅层23a进行掺杂与光刻以形成牺牲层释放孔27b，其中淀积方法包括但不限于低压化学气相淀积(LPCVD)。

c) 请参图1C所示，通过氢氟酸湿法腐蚀或者氟化氢气体甚高频刻蚀，将所述牺牲层22从牺牲层释放孔27b处进行掏空，以形成电容间隙25。

d) 请参图1D所示，淀积第二多晶硅层23b密封住牺牲层释放孔27b，从而将所述电容间隙25变成密闭空腔，随后对该第二多晶硅层23b进行掺杂，掺杂方法包括但不限于扩散或离子注入。所述第一多晶硅层23a及所述第二多晶硅层23b组成压力敏感膜。所述第二多晶硅层23b作为本发明电容式压力传感器100的上极板。

e) 请参图1E所示，将上述压力敏感膜进行光刻及刻蚀，形成与电容间隙25连通的导气孔27a，同时将位于下极板21b上方的部分第一多晶硅层23a及部分第二多晶硅层23b刻蚀掉。

f)  请参图1F所示，通过氢氟酸湿法腐蚀或者氟化氢气体甚高频刻蚀，利用多晶硅作为掩膜，将牺牲层22局部去除掉以露出下极板21b，而没有被去除的牺牲层22形成锚点26。所述锚点26通过下极板21b被固定在衬底21a上，用以支撑压力敏感膜。

g) 请参图1G所示，最后，通过物理气相淀积(PVD)将金属分别淀积在下极板21b及第二多晶硅层23b上，并进行光刻和刻蚀，最终形成第一压焊点241及第二压焊点242。同时，所述导气孔27a被金属24a密封，进而将所述电容间隙25变成密闭的真空腔体。在本实施方式中，由于电容间隙25为密闭的真空腔体，所以所述电容式压力传感器20为电容式绝对压力传感器。

通过采用表面硅微细加工工艺，本发明电容式压力传感器的制造方法解决了SOI工艺中释放时间长且工艺难控制的问题，同时也解决了SOI工艺形成的器件寄生电容较大的问题，且制造工艺简单、成本低、可制造性强，适合大规模生产。

请参图2至图4所示，从结构上看，本发明电容式压力传感器20包括衬底21a、覆盖在衬底21a上的下极板21b、与下极板21b相对的第一多晶硅层23a、位于下极板21b与第一多晶硅层23a之间的电容间隙25、固定于衬底21a上且用以支撑第一多晶硅层23a的锚点26、及覆盖在第一多晶硅层23a上的第二多晶硅层23b。所述第一多晶硅层23a及第二多晶硅层23b组成本发明电容式压力传感器20的压力敏感膜。所述锚点26位于下极板21b与第一多晶硅层23a之间，并且所述锚点26通过下极板21b被固定在衬底21a上，以支撑压力敏感膜。所述锚点26从侧面包围电容间隙25。所述第二多晶硅层23b及下极板21b分别作为本发明电容式压力传感器20的两个电极，为了导出这两个电极，所述电容式压力传感器20还包括分别淀积在下极板21b及第二多晶硅层23b上的第一压焊点241及第二压焊点242。所述压力敏感膜设有与电容间隙25相互连通的导气孔27a，所述导气孔27a被金属24a密封，进而最终使所述电容间隙25变成密闭的真空腔体。

本发明电容式压力传感器20不会产生较大的寄生电容，工艺简单、成本低、可制造性强，适合大规模生产。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种电容式压力传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

a) 在衬底上进行重掺杂，得到重掺杂层作为电容式压力传感器的下极板，随后在所述下极板上淀积氧化硅以形成牺牲层；

b) 在所述牺牲层上淀积第一多晶硅层，并在该第一多晶硅层上形成牺牲层释放孔；

c) 将所述牺牲层从牺牲层释放孔处进行掏空，以形成电容间隙；

d) 在所述第一多晶硅层上淀积第二多晶硅层以密封住所述牺牲层释放孔，从而将所述电容间隙变成密闭空腔，所述第二多晶硅层作为所述电容式压力传感器的上极板，所述第一多晶硅层及所述第二多晶硅层组成压力敏感膜；

e) 将上述压力敏感膜进行光刻及刻蚀，形成将电容间隙与外部气体连通的导气孔；

f) 将牺牲层局部去除掉以露出下极板，而没有被去除的牺牲层形成用以支撑压力敏感膜的锚点；

g) 将金属分别淀积在下极板及第二多晶硅层上以形成第一压焊点及第二压焊点，同时，所述导气孔被金属密封，进而将所述电容间隙变成密闭的真空腔体。

2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：步骤a)中，所述淀积包括低压化学气相淀积(LPCVD)及等离子增强气相淀积(PECVD)。

3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：步骤b)中，通过对该第一多晶硅层进行掺杂与光刻来形成所述牺牲层释放孔。

4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：步骤c)中，通过氢氟酸湿法腐蚀或者氟化氢气体甚高频刻蚀，以将所述牺牲层进行掏空。

5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：步骤d)中，在第二多晶硅层密封住所述牺牲层释放孔后，对该第二多晶硅层进行掺杂，所述掺杂的方法包括扩散或离子注入。

6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：步骤e)中，所述导气孔是通过对所述压力敏感膜进行光刻及刻蚀而形成的。

7.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：步骤f)中，通过氢氟酸湿法腐蚀或者氟化氢气体甚高频刻蚀，并利用多晶硅作为掩膜，将牺牲层局部去除掉以露出下极板。

8.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于：步骤g)中，所述金属是通过物理气相淀积(PVD)分别淀积在下极板及第二多晶硅层上，并随后进行光刻和刻蚀，才最终形成所述第一压焊点及所述第二压焊点。

9.一种电容式压力传感器，其包括衬底、覆盖在衬底上的下极板、与下极板相对的压力敏感膜、位于下极板与压力敏感膜之间的电容间隙、及环绕于电容间隙外围且用以支撑所述压力敏感膜的锚点，所述压力敏感膜及所述下极板分别作为所述电容式压力传感器的两个电极，其特征在于，所述电容式压力传感器还包括分别淀积在所述下极板及所述压力敏感膜上的第一压焊点及第二压焊点，所述压力敏感膜设有将电容间隙与外界气体相互连通的导气孔，所述导气孔被金属密封进而最终使所述电容间隙变成密闭的真空腔体。

10.如权利要求9所述的电容式压力传感器，其特征在于：所述压力敏感膜包括第一多晶硅层及覆盖在所述第一多晶硅层上的第二多晶硅层，所述第二多晶硅层及所述下极板分别作为所述电容式压力传感器的所述两个电极，所述第二压焊点淀积在所述第二多晶硅层上，所述导气孔贯穿所述第一多晶硅层及所述第二多晶硅层。