CN104089727B - 集成温度的高性能压力传感器芯片及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成温度的高性能压力传感器芯片及制造方法，制造方法，包括对SOI硅片热氧化，形成薄氧化层，然后LPCVD淀积低应力氮化硅；在SOI硅片背面进行光刻，湿法腐蚀出压力敏感膜，并在压力敏感膜区域处形成空腔；去除SOI硅片上的氮化硅和氧化硅；对单晶硅衬底硅片进行热氧化，并在背面上光刻、腐蚀出对准标记，去除氧化层；对SOI硅片和单晶硅衬底进行硅硅键合，使SOI硅片上的空腔形成密闭空腔；对SOI硅片顶层硅进行离子注入，并进行光刻、刻蚀，形成8个掺杂单晶硅体电阻；溅射金属，并光刻、腐蚀，形成金属导线，连接各体电阻，形成测量电路，实现同时测量压力与温度，而且克服压力传感器在高温下PN结反向漏电流造成器件性能恶化的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体地，涉及一种集成温度的高性能压力传感器芯片及制造方法。
背景技术
高性能压力传感器是在航空航天、工业自动化控制、汽车系统、航海、环境监控和测量以及生物医疗诊断等众多领域有着广泛的应用，但是，很多应用情况下，在测压力的同时，还需测量温度。
与其他类型的压力传感器相比，压阻式压力传感器的特点在于加工简单，信号易于测量。但是由于压敏电阻本身的温度特性，使得传感器产生很大的温度漂移，在较大温度变化范围内工作的传感器必须进行温度补偿。此外，随着温度的提高，PN结漏电流增加，使传感器的性能较为离散，稳定性变差。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种集成温度的高性能压力传感器芯片及制造方法，以实现同时测量压力与温度，而且克服压力传感器在高温PN结反向漏电流造成器件性能恶化的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种集成温度的高性能压力传感器芯片制造方法，包括以下步骤：
步骤101、对SOI硅片进行热氧化，形成薄氧化层，然后进入LPCVD淀积低应力氮化硅；
步骤102、在SOI硅片上进行光刻，定义出压力敏感膜图形，并在SOI硅片底部压力敏感膜区域处形成空腔；
步骤103、去除硅片SOI底层的氮化硅和二氧化硅层；
步骤104、对单晶硅衬底硅片进行热氧化，并在单晶硅衬底硅片上光刻并腐蚀出对准标记，去除氧化层；
步骤105、对SOI硅片和单晶硅衬底进行硅硅键合，使SOI硅片上的空腔形成密闭空腔；
步骤106、在SOI硅片顶层硅上注入硼离子、推进，形成单晶硅电阻膜并通过光刻、刻蚀形成8个掺杂单晶硅体电阻；
步骤107、在掺杂单晶硅体电阻两端光刻并刻蚀引线孔，然后溅射金属，光刻、刻蚀金属层形成金属导线，并对传感器芯片的上表面进行划片。
优选的，所述步骤102中空腔的形成采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法。
优选的，上述步骤101中，SOI硅片中顶层硅厚度0.5μm -1.0μm，隔离氧化层厚度0.5μm -1.0μm，底层硅厚度300μm -500μm。
优选的，上述SOI硅片经过步骤101处理后形成的氧化层厚度为200nm，氮化硅厚度为100nm。
优选的，上述步骤104中单晶硅衬底硅片形成的氧化层厚度为500nm。
优选的，所述步骤106中对SOI硅片和单晶硅衬底进行硅硅键合具体为：对SOI硅片和单晶硅衬底进行兆声波清洗，对SOI硅片和单晶硅衬底的表面进行处理，然后进行键合对准，并利用键合机进行预键合，预键合完成后，放置在高温退火炉中。
优选的，上述高温退火炉中退火温度1100℃，时间1小时。
优选的，上述步骤107中溅射金属的金属材料包括铝或金，且金属厚度为0.5μm -0.8μm。
同时本发明技术方案公开一种集成温度的高性能压力传感器芯片，包括单晶硅衬底和底部具有空腔的SOI硅片，所述单晶硅衬底和SOI硅片空腔构成密闭空腔，并形成压力敏感膜，SOI硅片顶层硅上设有八个掺杂单晶硅体电阻，且该八个掺杂单晶硅体电阻与压力敏感膜之间采用氧化层隔离，八个掺杂单晶硅体电阻中的四个掺杂单晶硅体电阻分布在压力敏感膜上，通过金属导线连接成惠斯通电桥，另外四个掺杂单晶硅体电阻分布在非应力敏感区域，并通过金属导线连接。
本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明的技术方案，将温度传感器、压力传感器集成一个芯片上，同时检测压力和温度。为保证传感器的高性能，采用SOI材料进行加工，利用SOI硅片顶层硅并采用等离子刻蚀技术制作单晶硅敏感电阻，利用氧化硅层作为绝缘层，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问题；采用SOI硅片顶层硅的厚度来制作敏感体电阻，保证了体电阻的厚度均匀一致，从而保证器件的性能一致性。同时，本发明技术方案采用硅硅直接键合的方法来形成压力敏感膜和密闭空腔，具有更好的力学特性。达到了同时测量压力与温度，而且克服压力传感器在高温PN结反向漏电流造成器件性能恶化的目的。
且本发明技术方案中的压力传感器芯片的结构牢固，性能优良，可以满足汽车、航空航天等领域对高性能压力传感器的需求。并具有制造工艺简单，相对成本低，生产效率高的特点，显著提高在恶劣条件下测量的高可靠性等优点。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例所述的集成温度的高性能压力传感器芯片结构示意图；
图2为图1所示的压力传感器芯片的俯视图；
图3a是SOI硅片热氧化后淀积氮化硅示意图；
图3b是SOI硅片底层硅光刻、腐蚀示意图；
图3c是SOI硅片双面去除氮化硅的示意图；
图3d是单晶硅衬底热氧后，光刻、刻蚀对准标记，去除氧化层示意图；
图3e是SOI硅片与单晶硅衬底直接硅硅键合示意图；
图3f是SOI硅片顶层硅上离子注入、退火，形成单晶硅电阻膜，并通过光刻、刻蚀形成8个掺杂单晶硅体电阻示意图；
图3g是SOI硅片顶层硅刻蚀引线孔，溅射金属并光刻、刻蚀形成电极及导线的示意图。
结合附图，本发明实施例中附图标记如下：
1-单晶硅衬底；101-对准标记；2-SOI硅片；201-密闭空腔；202-压力敏感膜；203-氧化层；204-顶层硅；205-氮化硅；206-底层硅；207-氧化层； 3-掺杂单晶硅体电阻；4-金属导线；5-氧化硅； 6-非应力敏感区域；7-底层氮化硅和二氧化硅层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图2所示，一种集成温度的高性能压力传感器芯片，包括一个单晶硅衬底1；一个底部具有空腔的SOI硅片2；单晶硅衬底1和SOI硅片空腔构成密闭空腔201，并形成压力敏感膜202；SOI硅片顶层硅204上设有八个掺杂单晶硅体电阻3，掺杂单晶硅体电阻3与压力敏感膜202之间采用氧化层203隔离；其中四个掺杂单晶硅体电阻3分布在压力敏感膜202上，通过金属导线4连接成惠斯通电桥 ；另外四个掺杂单晶硅体电阻3分布在压力敏感膜旁的非应力敏感区域6，并通过金属导线4连接。
而相应的一种集成温度的高性能压力传感器芯片制造方法，包括以下步骤：
步骤101、对SOI硅片进行热氧化，形成薄氧化层207，然后进入LPCVD淀积低应力氮化硅205；
步骤102、在SOI硅片上进行光刻，定义出压力敏感膜图形，并在SOI硅片底部压力敏感膜区域处形成空腔；
步骤103、去除硅片SOI底层的氮化硅和二氧化硅层7；
步骤104、对单晶硅衬底硅片进行热氧化，并在单晶硅衬底硅片上光刻并腐蚀出对准标记101，去除氧化层；
步骤105、对SOI硅片和单晶硅衬底进行硅硅键合，使SOI硅片上的空腔形成密闭空腔；
步骤106、在SOI硅片顶层硅上注入硼离子、推进，形成单晶硅电阻膜并通过光刻、刻蚀形成8个掺杂单晶硅体电阻；
步骤107、在掺杂单晶硅体电阻两端光刻并刻蚀引线孔，然后溅射金属，光刻、刻蚀金属层形成金属导线，并对传感器芯片的上表面进行划片。
优选的，步骤102中空腔的形成采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法。
优选的，步骤101中，如图3a所示，SOI硅片中顶层硅204厚度0.5μm -1.0μm，隔离氧化层203厚度0.5μm -1.0μm，底层硅206厚度300μm -500μm。
优选的， SOI硅片经过步骤101处理后形成的氧化层207厚度为200nm，氮化硅205厚度为100nm。
优选的，步骤104中单晶硅衬底硅片形成的氧化层厚度为500nm。
优选的，步骤106中对SOI硅片和单晶硅衬底进行硅硅键合具体为：对SOI硅片和单晶硅衬底进行兆声波清洗，对SOI硅片和单晶硅衬底的表面进行处理，然后进行键合对准，并利用键合机进行预键合，预键合完成后，放置在高温退火炉中。使用SUSS公司的BA6进行键合对准，利用SB6e键合机进行预键合。
优选的，高温退火炉中退火温度1100℃，时间1小时。
优选的，步骤107中溅射金属的金属材料包括铝或金，且金属厚度为0.5μm -0.8μm。
具体工作原理为：压力传感器芯片中的敏感电阻采用单晶硅体电阻，以二氧化硅作为绝缘层。压力传感器采用单晶硅体电阻的压敏特性，利用惠斯通电桥进行压力测量。温度传感器采用单晶硅体电阻的热敏特性，电阻线性的变化值来检测温度变化。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种集成温度的高性能压力传感器芯片制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤101、对SOI硅片进行热氧化，形成薄氧化层，然后进入LPCVD淀积低应力氮化硅；SOI硅片中顶层硅厚度0.5μm-1.0μm，隔离氧化层厚度0.5μm-1.0μm，底层硅厚度300μm-500μm；步骤102、在SOI硅片上进行光刻，定义出压力敏感膜图形，并在SOI硅片底部压力敏感膜区域处形成空腔；
步骤103、去除硅片SOI底层的氮化硅和二氧化硅层；
步骤104、对单晶硅衬底硅片进行热氧化，并在单晶硅衬底硅片上光刻并腐蚀出对准标记，去除氧化层；
步骤105、对SOI硅片和单晶硅衬底进行硅硅键合，使SOI硅片上的空腔形成密闭空腔；对SOI硅片和单晶硅衬底进行兆声波清洗，对SOI硅片和单晶硅衬底的表面进行处理，然后进行键合对准，并利用键合机进行预键合，预键合完成后，放置在高温退火炉中；
步骤106、在SOI硅片顶层硅上注入硼离子、推进，形成单晶硅电阻膜并通过光刻、刻蚀形成8个掺杂单晶硅体电阻；
步骤107、在掺杂单晶硅体电阻两端光刻并刻蚀引线孔，然后溅射金属，光刻、刻蚀金属层形成金属导线，并对传感器芯片的上表面进行划片；
采用SOI材料进行加工，利用SOI硅片顶层硅并采用等离子刻蚀技术制作单晶硅敏感电阻，利用氧化硅层作为绝缘层，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问题；采用SOI硅片顶层硅的厚度来制作敏感体电阻，保证了体电阻的厚度均匀一致，从而保证器件的性能一致性,同时，采用硅硅直接键合的方法来形成压力敏感膜和密闭空腔，具有更好的力学特性,达到了同时测量压力与温度，而且克服压力传感器在高温PN结反向漏电流造成器件性能恶化的目的。
2.根据权利要求1所述的集成温度的高性能压力传感器芯片制造方法，其特征在于，所述步骤102中空腔的形成采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法。
3.根据权利要求2所述的集成温度的高性能压力传感器芯片制造方法，其特征在于，上述SOI硅片经过步骤101处理后形成的氧化层厚度为200nm，氮化硅厚度为100nm。
4.根据权利要求3所述的集成温度的高性能压力传感器芯片制造方法，其特征在于，上述步骤104中单晶硅衬底硅片形成的氧化层厚度为500nm。
5.根据权利要求4所述的集成温度的高性能压力传感器芯片制造方法，其特征在于，上述高温退火炉中退火温度1100℃，时间1小时。
6.根据权利要求5所述的集成温度的高性能压力传感器芯片制造方法，其特征在于，上述步骤107中溅射金属的金属材料包括铝或金，且金属厚度为0.5μm-0.8μm。
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