CN103364118A

CN103364118A - 压阻式压力传感器及其制造方法

Info

Publication number: CN103364118A
Application number: CN2012100884821A
Authority: CN
Inventors: 杜利东; 赵湛; 方震; 肖丽; 陈继超; 刘启明
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明公开了一种压阻式压力传感器及其制造方法。该压阻式压力传感器，由上而下包括：压力传感SOI硅片，其下表面包括第一键合种子金属层；真空键合封接片，其上表面包括第二键合种子金属层，该第二键合种子金属层与压力传感SOI硅片下表面的第一键合种子金属层通过含锡合金焊料共晶真空键合在一起。本发明中通过银锡共晶真空键合技术，降低了压阻式压力传感器真空键合工艺难度，减小了压阻式压力传感器真空键合成本。

Description

压阻式压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及电子行业传感器技术领域，尤其涉及一种压阻式压力传感器及其制造方法。

背景技术

压力参数的测量在工业生产、气象预报、气候分析、环境监测等领域应用十分广泛，其中气象压力参数的预报对人们日常生活有重大影响。现有市场上微机电系统(MEMS系统)的压阻式压力传感器主要通过离子注入、阳极键合技术制作而成。

图1为现有技术压阻式压力传感器的结构示意图。如图1所示，该压阻式压力传感器，其结构包括：普通硅片与玻璃片，普通硅片与玻璃片通过阳极键合形成压阻式压力传感器。其中普通硅片上表面通过两次离子注入工艺制作低掺杂浓度压力检测电阻与高掺杂浓度的连接电阻，普通硅片下部通过刻蚀形成压力空腔。

如图1所示压阻式压力传感器制作工艺流程为：1)通过离子注入形成压阻；2)通过再次离子注入形成互联电阻；3)通过溅射形成引线盘；4)通过腐蚀工艺形成空腔；5)通过阳极键合工艺完成压力芯片真空封接。

上述MEMS压阻式压力传感器主要采用单晶硅材料通过离子注入制造而成，制造过程中需要进行两次离子注入形成低掺杂的应变检测电阻和高掺杂的引线，制作工艺复杂，需要多次退火，增加了传感器制作成本；其中压阻电阻同衬底之间采用PN结进行隔离，由于PN结存在一定的漏电流，温度较高情况下传感器的稳定性变差。同时上述压阻式压力传感器真空封装主要采用硅玻璃阳极键合技术，需要在温度450℃高温，且无污染接触面上进行，制造工艺过程中湿法刻蚀留下的K、Na等金属离子会严重影响键合效果。故而存在对键合面要求苛刻，成品率低的缺点，而且键合后应力大，影响压阻式压力传感器的性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种压阻式压力传感器及其制造方法，以降低压阻式压力传感器真空键合工艺难度。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种压阻式压力传感器，其由上而下包括：压力传感SOI硅片，其下表面包括第一键合种子金属层；真空键合封接片，其上表面包括第二键合种子金属层，该第二键合种子金属层与压力传感SOI硅片下表面的第一键合种子金属层通过含锡合金焊料共晶真空键合在一起。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种压阻式压力传感器的制备方法，包括：在SOI硅片下表面制作第一键合种子金属层，形成压力传感SOI硅片；在真空封接片上表面制作第二键合种子金属层，形成真空键合封接片；将压力传感SOI硅片和真空键合封接片两者的键合种子金属层相对，通过含锡合金焊料进行真空共晶键合，完成压阻式压力传感器的制备。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明压阻式压力传感器及其制造方法具有以下有益效果：

(1)本发明中，通过银锡共晶真空键合技术，降低了压阻式压力传感器真空键合工艺难度，减小了压阻式压力传感器真空键合成本；

(2)本发明中，基于SOI硅片本体上P型掺杂硅器件层通过刻蚀工艺形成压力检测电阻，从而避免了采用离子注入方式形成的压阻电阻存在的PN结漏电流问题，降低了压阻电阻制作难度，提高了压力检测稳定性，提高了不同温度下重复性；

(3)本发明中，基于银锡共晶真空键合技术的SOI-MEMS压阻式压力传感器具有制造工艺简单，成本低，压力器件性能好的优点，具有良好的重复性。

附图说明

图1为现有技术压阻式压力传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例压阻式压力传感器的结构示意图；

图3为本发明实施例压阻式压力传感器制备方法中执行各步骤后元件的剖面示意图；

图3A为执行标准清洗步骤后的结构示意图；

图3B为执行形成压力空腔步骤后的结构示意图；

图3C为执行形成压力检测电阻/测温电阻步骤后的结构示意图；

图3D为执行制作绝缘层步骤后的结构示意图；

图3E为执行形成键合窗口步骤后的结构示意图；

图3F为执行制作铝电极步骤后的结构示意图；

图3G为执行形成压力传感SOI硅片步骤后的结构示意图；

图3H为执行形成真空键合封装片步骤后的结构示意图；

图3I为执行清洗银锡焊片步骤后的结构示意图；

图3J为执行共晶键合步骤后的结构示意图。

【主要元件符号说明】

1-SOI硅片本体； 2-银锡焊片；

3-真空键合封装片； 4-硅基板层；

5-第一二氧化硅层； 6-P型掺杂硅器件层；

7-第二二氧化硅层； 8-铝电极；

9-种子金属层； 10-压力空腔；

11-压力检测电阻； 12-测温电阻；

13-种子金属层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

在本发明的一个示例性实施例中，提出了一种压阻式压力传感器。图2为本发明实施例压阻式压力传感器的结构示意图。如图2所示，本实施例压阻式压力传感器自上而下包括：压力传感SOI(Silicon-On-Insulator)硅片和真空键合封接片；其中，所述压力传感SOI硅片的下表面和所述键合封接片的上表面均包括键合种子金属层，两键合种子金属层通过含锡合金焊料共晶真空键合在一起。

压力传感SOI硅片由下到上包括：种子金属层9、SOI硅片本体1、绝缘层7和电极层8。所述SOI硅片本体由下到上包括：硅基板层4、第一二氧化硅层5和P型掺杂硅器件层6，所述硅基板层4通过刻蚀形成压力空腔，所述P型掺杂硅器件层6通过刻蚀形成压力检测电阻；所述电极层8透过绝缘层7与所述P型掺杂硅器件层6键合。

本实施例中，种子金属层为Au/Cr层或Au/Cr/Ti层，所述的含锡合金焊料为银锡、铜锡或金锡焊料。所述电极层为铝电极层，所述绝缘层为第二二氧化硅层。

在本发明的另一个示例性实施例中，提出了一种上述压阻式压力传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：对含有硅基板层4、第一二氧化硅层5、P型掺杂硅器件层6的SOI硅片本体1进行标准清洗，如图3A所示；

步骤二：在SOI硅片本体1下表面蒸铝，甩胶光刻形成深刻蚀铝掩膜，再对SOI硅片本体1下部硅基板层4进行深刻蚀形成压力空腔10，如图3B所示；

步骤三：在SOI硅片本体1上表面甩胶光刻形成深刻蚀掩膜，再对SOI硅片本体1上部P型掺杂硅器件层6进行深刻刻蚀形成压力检测电阻11以及测温电阻12，如图3C所示；

步骤四：在SOI硅片本体1上表面通过PECVD工艺制作第二二氧化硅层7作为绝缘层，温度300℃，厚度100nm，如图3D所示；

步骤五：在SOI硅片本体1上表面第二二氧化硅层7上甩胶光刻形成ICP刻蚀掩膜，使用ICP工艺刻蚀SOI硅片本体1上表面第二二氧化硅层7，形成铝电极8与SOI硅片本体1上部P型掺杂硅器件层6的键合窗口，如图3E所示；

步骤六：在SOI硅片本体1上表面第二二氧化硅层7上溅射铝，厚度500nm，通过磷酸腐蚀制作铝电极8，在氮气保护条件下形成良好欧姆接触，温度480℃，时间半小时，图3F所示；

步骤七：在SOI硅片本体1下表面通过溅射工艺制作银锡共晶真空键合种子金属层Au/Cr 9，形成压力传感SOI硅片，如图3G所示；

步骤八：在真空封接片上表面通过溅射工艺制作银锡共晶真空键合种子金属层Au/Cr 13，形成真空键合封装片3，如图3H所示；

步骤九：清洗银锡焊片2，如图3I所示；

步骤十：压力传感SOI硅片、银锡焊片2、真空键合封装片3以由上到下的顺序层叠，放置在共晶键合设备中进行共晶键合，升温至230±10℃，保持温度230±10℃时间10分钟，后自然冷却到室温，如图3J所示；

步骤十一：键合好的芯片进行划片、封装、电路调试和性能测试，完成传感器。

基于银锡共晶真空键合技术的SOI-MEMS压阻式压力传感器压力腔顶部的薄膜在受到压力的情况下产生形变，通过检测薄膜的弯曲量可以获得压力值；单晶硅是一种良好的薄膜弯曲检测材料，受到形变作用后其电阻率发生变化，进而导致电阻发生变化，通过MEMS工艺在压力腔顶部的薄膜上制作四个压力检测电阻，组成一个惠斯通电桥即可检测出压力值。工作时，压力腔顶部的薄膜上制作四个压力检测电阻受到正负两种应力的作用；四个电阻组成惠斯通电桥后在其中一组对角上施加电压Vi，另一组对角产生输出Vo，由下式计算：

V_{o} = \frac{(R_{1} \times R_{3} - R_{2} \times R_{4})}{(R_{1} + R_{2}) (R_{3} + R_{4})} V_{i}

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种压阻式压力传感器，由上而下包括：

压力传感SOI硅片，其下表面包括第一键合种子金属层；

真空键合封接片，其上表面包括第二键合种子金属层，该第二键合种子金属层与压力传感SOI硅片下表面的第一键合种子金属层通过含锡合金焊料共晶真空键合在一起。

2.根据权利要求1所述的压阻式压力传感器，其中，所述压力传感SOI硅片由下到上包括：第一键合种子金属层、SOI硅片本体、绝缘层和电极层；

所述SOI硅片本体由下到上包括：硅基板层、第一二氧化硅层和P型掺杂硅器件层，所述硅基板层下部通过刻蚀形成压力空腔，所述P型掺杂硅器件层通过刻蚀形成压力检测电阻；

所述电极层透过绝缘层与所述P型掺杂硅器件层键合。

3.根据权利要求2所述的压阻式压力传感器，其中，所述电极层为铝电极层，所述绝缘层为第二二氧化硅层。

4.根据权利要求1或2所述的压阻式压力传感器，其中，所述含锡合金焊料为银锡、铜锡或金锡焊料；

所述第一键合种子金属层和第二键合种子金属层为Au/Cr层或Au/Cr/Ti层。

5.一种压阻式压力传感器的制备方法，包括：

在SOI硅片下表面制作第一键合种子金属层，形成压力传感SOI硅片；

在真空封接片上表面制作第二键合种子金属层，形成真空键合封接片；

将压力传感SOI硅片和真空键合封接片两者的键合种子金属层相对，通过含锡合金焊料进行真空共晶键合，完成压阻式压力传感器的制备。

6.根据权利要求5所述的压阻式压力传感器的制备方法，其中，所述在SOI硅片下表面制作第一键合种子金属层，形成压力传感SOI硅片的步骤之前还包括：

对包括硅基板层、第一二氧化硅层、P型掺杂硅器件层的SOI硅片本体下部的硅基板层进行刻蚀形成压力空腔；

对所述P型掺杂硅器件层进行刻蚀形成应变检测电阻；

在所述SOI硅片本体上表面制作绝缘层和电极层，引出所述应变检测电阻的电极。

7.根据权利要求6所述的压阻式压力传感器的制备方法，其中，所述在SOI硅片本体上表面在SOI硅片本体上表面制作绝缘层和电极层，引出应变检测电阻电极的步骤包括：

在SOI硅片本体上表面制作第二二氧化硅层；

刻蚀所述第二二氧化硅层，形成键合窗口，露出应变检测电阻；

在所述第二二氧化硅层上制作铝电极，所述铝电极通过键合窗口与应变检测电阻之间形成欧姆接触。

8.根据权利要求7所述的压阻式压力传感器的制备方法，其中，所述在第二二氧化硅层上制作铝电极，铝电极通过键合窗口与应变检测电阻之间形成欧姆接触步骤的工艺条件为：氮气气氛，温度为480℃，时间为30Min。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的压阻式压力传感器的制备方法，其中，所述压力传感SOI硅片和真空键合封接片两者的键合种子金属层通过含锡合金焊料进行真空共晶键合的工艺条件为：温度为230℃；保温时间为10Min。

10.根据权利要求5至8中任一项所述的压阻式压力传感器的制备方法，其中，所述含锡合金焊料为银锡、铜锡或金锡焊料；