CN104236766B - 封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片及制备方法。所述芯片至少包括：形成在单晶硅基片一表面的两个同结构同尺寸的悬臂梁，每一悬臂梁表面开设有参考压力腔体，每一参考压力腔体表面覆盖有单晶硅压力敏感薄膜，且在每一单晶硅压力敏感薄膜表面形成有多个电阻，各电阻连接成惠斯顿全桥检测电路；此外，在临近每一悬臂梁与单晶硅基片的连接处形成有应力释放凹槽，以释放封装应力；再有，两参考压力腔体中的一者通过压力释放通道连通导压孔以便该个参考压力腔体与外界大气相通。本发明的传感器能实现对封装应力与零点温漂的自补偿，提高了传感器的检测稳定性和封装环境适应可靠性；具有芯片尺寸小、成本低、适于大批量生产等特点。

Description

封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片及制备方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别是涉及一种封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片及制备方法。

背景技术

近年来，随着微机电系统（MEMS）技术的迅猛发展，硅基压力传感器作为MEMS传感器传统力学检测器件之一被广泛应用于航空航天、生化医学、生命科学、汽车电子等领域。特别是近几年来随着MEMS压力传感器首次在三星智能手机Galaxy Nexus上使用以来，越来越多的智能手机消费市场将广泛采用压力传感器来辅助GPS定位，克服GPS对不同高度条件下定位的不足，使得三维定位更加精准。例如：实现海拔高度测量、GPS辅助导航定位、室内精确定位等。下一代智能手机将配备有压力传感器、陀螺仪、加速度计等检查器件组成的10轴Combos定位系统，因此，如此巨大的电子消费市场对压力传感器的零点温漂、高精度、低成本提出了更高要求。

当前MEMS微机械加工技术工艺成熟，在制作传统结构力敏压力传感器时，可以通过精确控制压敏电阻的掺杂浓度，来保证不同压敏电阻之间的一致性，然后再通过组成惠斯顿全桥电路配置来消除半导体工艺不一致性所导致的传感器零点温度漂移问题。但是，这种传统的力敏压力传感器结构还是无法消除封装材料热不匹配所导致的封装应力以及传感器自身存在的残余应力对传感器零点温度漂移的影响。因此，传统的力敏压力传感器为了消除热不匹配所导致的封装应力，提高传感器的检测精度和稳定性，需要花费大量的人力和物力来研究封装材料和封装工艺、以及耗时过多的传感器芯片老化工艺过程，这些都大大增加的力敏压力传感器的工艺制作成本，降低了市场的竞争力（具体可参见文献：Bowei Li,G Q Zhang,Fengze Hou and Yang Hai.The Effect of Diaphragm on Performance of MEMS Pressure SensorPackaging.International Conference on Electronic Packaging Technology&High DensityPackaging,2010:601-606）。此外，即便通过种种努力解决了热不匹配所导致的封装应力问题，力敏压力传感器的压力敏感薄膜上方的绝缘钝化层所导致的传感器自身残余应力对传感器零点温度漂移的影响还是不能消除。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片。

本发明的另一目的在于提供一种消除封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片的制作方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片，其至少包括：

形成在单晶硅基片一表面的两个同结构同尺寸的悬臂梁，每一悬臂梁表面开设有参考压力腔体，每一参考压力腔体表面覆盖有单晶硅压力敏感薄膜，且在每一单晶硅压力敏感薄膜表面形成有多个电阻，各电阻连接成惠斯顿全桥检测电路；

在临近每一悬臂梁与单晶硅基片的连接处形成有应力释放凹槽，以释放封装应力；

两参考压力腔体中的一者通过压力释放通道连通导压孔以便该个参考压力腔体与外界大气相通。

优选地，所述单晶硅基片为n型（111）晶面的单晶硅基片。

优选地，每一悬臂梁均为六边形，且悬臂梁的轴线沿<110>晶向排布。

优选地，单晶硅压力敏感薄膜为规则六边形结构，参考压力腔体为六边形腔体。

优选地，每一单晶硅压力敏感薄膜表面形成有四个注入式单晶硅压敏电阻，且分别两两相对以单晶硅压力敏感薄膜的中心呈中心对称分布，分别位于单晶硅压力敏感薄膜的两条相互垂直的对称轴上。

优选地，所述导压孔位于一悬臂梁的轴线上，且临近该悬臂梁与单晶硅基片的连接处。

本发明还提供一种消除封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片的制作方法，其至少包括：

1）采用离子注入法在单晶硅基片中形成多个电阻；

2）基于待形成的两单晶硅压力敏感薄膜的厚度及位置，在形成电阻的单晶硅基片结构中开设多条微型释放窗口，其中，使各电阻处于待形成的单晶硅压力敏感薄膜表面；

3）采用刻蚀技术由各微型释放窗口底部开始刻蚀直至深度与待形成的参考压力腔体的深度相同；

4）采用腐蚀法由各微型释放窗口底部的侧壁开始腐蚀以形成两个由参考压力腔体及覆盖在参考压力腔体表面的单晶硅压力敏感薄膜构成的腔体结构、以及与其中一个参考压力腔体连通的压力释放通道；

5）采用低应力材料对已形成腔体结构的单晶硅基片结构的各微型释放窗口进行填充以完成对两参考压力腔体的密封；

6）在包含密封的参考压力腔体的单晶硅基片结构上刻蚀出两个悬臂梁的图形结构，且在每一图形结构与单晶硅基片的连接处形成应力释放凹槽，并使每一图形结构包围一个腔体结构；

7）基于所述图形结构对单晶硅基片结构进行腐蚀以释放两悬臂梁；

8）使已形成两悬臂梁的单晶硅基片结构中的各电阻进行电气互连以形成惠斯顿全桥检测电路，并开设连通压力释放通道的导压孔。

如上所述，本发明的封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片及制备方法，具有以下有益效果：能有效抑制封装应力给传感器检测性能带来的不利影响及压力传感器自身残余应力对传感器零点温漂的影响；具有对一切不利检测因素所产生应力的自补偿功能；而且，具有尺寸小、检测精度高、便捷封装等特点，能满足大批量生产的要求。

附图说明

图1a至1j显示为本发明的消除封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片的制作方法的流程图。

图2a至2d显示为本发明的封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片结构示意图，其中，图2a为三维结构示意图；图2b为三维结构截面示意图；图2c为SEM实物示意图；图2d为局部SEM实物示意图。

图3显示为本发明制备的双悬浮式力敏传感器与传统非悬浮式力敏传感器以及传统单悬浮式力敏传感器关于零点温漂输出对比曲线示意图。

图4显示为本发明制备的双悬浮式力敏传感器关于压强与输出电压关系曲线示意图。

元件标号说明

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1a至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种消除封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片的制作方法。

第一步：采用离子注入法在单晶硅基片中形成多个电阻。

例如，先对n型（111）晶面的单晶硅基片11表面进行热氧化形成SiO₂层12，随后通过向该单晶硅基片11进行硼离子注入的方法制作8个压敏电阻21，注入倾斜角为9°，各压敏电阻21的方块电阻值为89±2Ω，如图1a所示。

第二步：基于待形成的两单晶硅压力敏感薄膜的厚度及位置，在形成电阻的单晶硅基片结构中开设多条微型释放窗口，其中，使各电阻处于待形成的单晶硅压力敏感薄膜表面。

例如，首先，利用低压化学气相沉积法（LPCVD）在单晶硅基片1的SiO₂层12上依次沉积低应力氮化硅层13和TEOS钝化保护层14，用来保护加工后的压敏电阻21及作为后续湿法腐蚀工艺的钝化保护层，如图1b所示；随后，利用深反应离子刻蚀（DRIE）技术在单晶硅基片结构上制作5条微型释放窗口22，每2条微型释放窗口22分别勾勒出待形成的单晶硅压力敏感薄膜的规则六边形轮廓，剩余1条微型释放窗口22勾勒出待形成的压力释放通道的轮廓，各微型释放窗口22的深度与待形成的单晶硅压力敏感薄膜的厚度一致，如图1c所示。

第三步：采用刻蚀技术由各微型释放窗口底部开始刻蚀直至深度与待形成的参考压力腔体的深度相同。

例如，首先利用LPCVD在单晶硅基片结构上顺序沉积低应力氮化硅层15和TEOS钝化保护层16，如图1c所示，随后再利用反应离子刻蚀（RIE）技术剥离各微型释放窗口22底部的TEOS钝化保护层和低应力氮化硅层，保留各微型释放窗口22侧壁的TEOS钝化保护层和低应力氮化硅层，然后再利用硅深度反应离子刻蚀工艺继续沿各微型释放窗口22向下刻蚀，刻蚀深度为待形成的参考压力腔体的深度，如图1d所示。

第四步：采用腐蚀法由各微型释放窗口侧壁开始腐蚀以形成两个由参考压力腔体及覆盖在参考压力腔体表面的单晶硅压力敏感薄膜构成的腔体结构、以及与其中一个参考压力腔体连通的压力释放通道。

例如，在各微型释放窗口22的侧壁根部利用KOH溶液或者TMAH溶液横向腐蚀单晶硅基片，制作出嵌入在单晶硅基片内的参考压力腔体23，释放单晶硅压力敏感薄膜24，同时还形成了一条压力释放通道25，该压力释放通道25仅连通一个参考压力腔体，如图1e所示，由图可见，各电阻21处于单晶硅压力敏感薄膜24上。

第五步：采用低应力材料对已形成腔体结构的单晶硅基片结构的各微型释放窗口进行填充以完成对两参考压力腔体的密封。

例如，通过在5条微型释放窗口22内LPCVD沉积多晶硅26来缝合各微型释放窗口22，完成压力传感器中两参考压力腔体23的密封，然后，采用DRIE刻蚀技术去除单晶硅基片表面多余的多晶硅，如图1f所示。

第六步：在包含密封的参考压力腔体的单晶硅基片结构上刻蚀出两个悬臂梁的图形结构，且在每一图形结构与单晶硅基片的连接处形成应力释放凹槽，并使每一图形结构包围一个腔体结构。

例如，利用LPCVD在单晶硅基片结构上依次沉积低应力氮化硅层17和TEOS钝化材料层18，用于保护已加工完毕的单晶硅压力敏感薄膜24及其参考压力腔体23，如图1g所示，随后再利用DIRE技术刻蚀出两个六角形的悬臂梁图形结构27，其中，每一悬臂梁图形结构27包围单晶硅压力敏感薄膜24以及参考压力腔体23的区域，且DRIE刻蚀深度要远大于单晶硅压力敏感薄膜24的深度与参考压力腔体23的深度和，且在每一悬臂梁图形结构27与单晶硅基片的连接处刻蚀出应力释放凹槽；然后LPCVD依次沉积低应力氮化硅层19和TEOS钝化材料层20对已刻蚀出的悬臂梁图形结构27的侧壁提供钝化保护，并再利用反应离子刻蚀技术剥离悬臂梁图形结构27底部的钝化保护层，保留悬臂梁图形结构27侧壁的钝化保护层，然后再利用DRIE沿悬臂梁图形结构27继续向下刻蚀，刻蚀深度为10微米，如图1h所示。

第七步：基于所述图形结构对单晶硅基片结构进行腐蚀以释放两悬臂梁。

例如，利用KOH溶液或者TMAH溶液通过横向各向异性湿法腐蚀单晶硅基片结构，来形成悬臂梁28，如图1i所示，然后利用BOE溶液腐蚀掉单晶硅基片表面残余的TEOS钝化材料层20。

第八步：使已形成两悬臂梁的单晶硅基片结构中的各电阻进行电气互连以形成惠斯顿全桥检测电路，并开设连通压力释放通道的导压孔。

例如，在单晶硅基片上通过溅射铝薄膜层29来形成各压敏电阻21的引线互联和焊盘，并利用DRIE在一悬臂梁的根部轴线位置刻蚀出与压力释放通道25连通的导压孔30，完成整个封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片的制作，如图1j所示。

经过上述制备，形成的封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片如图2a至2d所示。该双悬浮式力敏传感器芯片包括：形成在n型（111）晶面的单晶硅基片11表面的两个同结构同尺寸的悬臂梁28，每一悬臂梁28下表面开设有参考压力腔体23，每一参考压力腔体23上表面覆盖有单晶硅压力敏感薄膜24，且在每一单晶硅压力敏感薄膜24表面形成有4个电阻，8个电阻通过铝薄膜层29的铝引线291和铝焊盘292互连成惠斯顿全桥检测电路；而且，在临近每一悬臂梁28与单晶硅基片11的连接处形成有应力释放凹槽31，以释放封装应力；此外，两参考压力腔体23中的一者通过压力释放通道25连通导压孔30以便该个参考压力腔体与外界大气相通。

其中，处于一个悬臂梁28上的参考压力腔体23、单晶硅压力敏感薄膜24及4个电阻构成压力检测单元4；处于另一个悬臂梁28上的参考压力腔体23、单晶硅压力敏感薄膜24及4个电阻构成虚拟压力检测单元5；其中，虚拟压力检测单元5的参考压力腔体23通过压力释放通道25连通导压孔30。两单晶硅压力敏感薄膜24均为规则六边形结构，相邻两边的夹角均为120°，压力检测单元4的参考压力腔体23以及虚拟压力检测单元5的参考压力腔体23均为六边形；两单晶硅压力敏感薄膜24上的4个电阻21均为单晶硅应力敏感电阻

其中，每一悬臂梁28均为规则六边形结构，相邻两条边的夹角均为120°，悬臂梁的轴线沿<110>晶向排布，每一悬臂梁28的根部由六边形中一对等边所组成的规则角与单晶硅基片1相连接，并在悬臂梁28根部两侧有应力释放凹槽31。当悬臂梁受到外在封装应力作用时，悬臂梁28所感受到的轴向封装应力可以通过悬臂梁28自身沿z方向（即，垂直单晶硅基片11表面方向，沿悬臂梁28下表面间隙32）弯曲变形得以释放；悬臂梁28所感受到的横向封装应力则可通过应力释放凹槽31以及悬臂梁28在横向封装应力作用下沿悬臂梁28侧向可动间隙33形变，在悬臂梁28根部便得以释放，这就使得外在封装应力不会传递到远离悬臂梁28根部的其它悬臂梁位置，确保了集成在悬臂梁末端位置的压力检测单元4不会受到封装应力的不利影响，实现本发明压力传感器对封装材料热不匹配所导致的封装应力自动补偿功能。

其中，压力检测单元4根据单晶硅压力敏感薄膜24的应力分布，充分利用电阻条的纵向压阻效应设计压阻排布方式，采用了四个压敏电阻21，分别两两相对的以规则六边形单晶硅压力敏感薄膜24的中心呈中心对称分布，且分别位于规则六边形单晶硅压力敏感薄膜24的两条相互垂直的对称轴上，即分布在其上下左右位置。其中，上下位置两个电阻由于受到拉应力，阻值增大，左右两个电阻受到压应力，阻值减小。

其中，虚拟压力检测单元5根据单晶硅压力敏感薄膜24的应力分布，充分利用电阻条的纵向压阻效应设计压阻排布方式，也采用了四个压敏电阻21，分别两两相对的以规则六边形单晶硅压力敏感薄膜24的中心呈中心对称分布，且分别位于规则六边形单晶硅压力敏感薄膜24的两条相互垂直的对称轴上，即分布在其上下左右位置。其中，上下位置两个电阻由于受到拉应力，阻值增大，左右两个电阻受到压应力，阻值减小。

所述压力检测单元4中某一个阻值增大（或减小）的电阻21与虚拟压力检测单元5中某一个阻值减小（或增大）的电阻21串联，所述八个电阻可以组成四个独立串联的电阻，然后将这四个独立串联电阻再通过铝引线291和铝焊盘292互连组成全桥检测电路。由于压力检测单元4不仅对待测压强敏感而且也对传感器自身残余应力敏感；而虚拟压力检测单元5仅仅对传感器自身残余应力敏感。所以通过这种互连方式，可以使得传感器芯片表面不同钝化层膜系之间的残余应力得以相互抵消。

经过对上述所制备的双悬浮式力敏传感器芯片的测试，相较于传统的非悬浮式力敏传感器以及单悬浮式力敏传感器，本发明的传感器零点漂移特性得到非常大的提高，如图3所示，这主要得益于本发明的传感器结构具有对封装材料热不匹配所导致的封装应力以及传感器自身残余应力的自补偿功能；此外，本发明的传感器具有很好的非线性输出，如图4所示。

综上所述，本发明的压力传感器采用双悬浮式结构，包括压力检测单元和虚拟压力检测单元，通过一套单硅片单面体硅微机械加工技术将压力检测单元、虚拟压力检测单元以及悬臂梁集成在同一颗单晶硅芯片的同一表面上，其中，压力检测单元和虚拟压力检测单元分别被巧妙集成在一悬臂梁上，压力检测单元和虚拟压力检测单元的参考压力腔体直接嵌入到各自所在的悬臂梁结构内部，该双悬浮式力敏传感器结构充分利用悬臂梁尾端活动自由结构的力学特性能来有效抑制了封装应力给压力传感器检测性能所带来了不利影响，同时利用虚拟检测单元来消除传感器自身残余应力对传感器温度漂移的影响。结构简单，构思巧妙。本发明不仅解决了压力传感器芯片在实际应用中封装的难题，还解决了传统力敏压力传感器难以解决的力敏压力传感器自身残余应力对温度漂移的影响。本发明具有结构尺寸小、成本低、灵敏度高、稳定性好、精度佳等特点，适合于大批量生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片，其特征在于，所述封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片至少包括：

形成在单晶硅基片一表面的两个同结构同尺寸的悬臂梁，每一悬臂梁表面开设有参考压力腔体，每一参考压力腔体表面覆盖有单晶硅压力敏感薄膜，且在每一单晶硅压力敏感薄膜表面形成有多个电阻，各电阻连接成惠斯顿全桥检测电路；

在临近每一悬臂梁与单晶硅基片的连接处形成有应力释放凹槽，以释放封装应力；

两参考压力腔体中的一者通过压力释放通道连通导压孔以便该个参考压力腔体与外界大气相通。

2.根据权利要求1所述的封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片，其特征在于：所述单晶硅基片为n型（111）晶面的单晶硅基片。

3.根据权利要求1或2所述的封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片，其特征在于：每一悬臂梁均为六边形，且悬臂梁的轴线沿<110>晶向排布。

4.根据权利要求3所述的封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片，其特征在于：单晶硅压力敏感薄膜为规则六边形结构，参考压力腔体为六边形腔体。

5.根据权利要求4所述的封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片，其特征在于：每一单晶硅压力敏感薄膜表面形成有四个注入式单晶硅压敏电阻，且分别两两相对以单晶硅压力敏感薄膜的中心呈中心对称分布，分别位于单晶硅压力敏感薄膜的两条相互垂直的对称轴上。

6.根据权利要求3所述的封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片，其特征在于：所述导压孔位于一悬臂梁的轴线上，且临近该悬臂梁与单晶硅基片的连接处。

7.一种消除封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片的制作方法，其特征在于，所述消除封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片的制作方法至少包括：

1）采用离子注入法在单晶硅基片中形成多个电阻；

2）基于待形成的两单晶硅压力敏感薄膜的厚度及位置，在形成电阻的单晶硅基片结构中开设多条微型释放窗口，其中，使各电阻处于待形成的单晶硅压力敏感薄膜表面；

3）采用刻蚀技术由各微型释放窗口底部开始刻蚀直至深度与待形成的参考压力腔体的深度相同；

4）采用腐蚀法由各微型释放窗口底部的侧壁开始腐蚀以形成两个由参考压力腔体及覆盖在参考压力腔体表面的单晶硅压力敏感薄膜构成的腔体结构、以及与其中一个参考压力腔体连通的压力释放通道；

5）采用低应力材料对已形成腔体结构的单晶硅基片结构的各微型释放窗口进行填充以完成对两参考压力腔体的密封；

6）在包含密封的参考压力腔体的单晶硅基片结构上刻蚀出两个悬臂梁的图形结构，且在每一图形结构与单晶硅基片的连接处形成应力释放凹槽，并使每一图形结构包围一个腔体结构；

7）基于所述图形结构对单晶硅基片结构进行腐蚀以释放两悬臂梁；

8）使已形成两悬臂梁的单晶硅基片结构中的各电阻进行电气互连以形成惠斯顿全桥检测电路，并开设连通压力释放通道的导压孔。

8.根据权利要求7所述的消除封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片的制作方法，其特征在于：所述单晶硅基片为n型（111）晶面的单晶硅基片。

9.根据权利要求8所述的消除封装应力与温漂自补偿的双悬浮式力敏传感器芯片的制作方法，其特征在于：图形结构呈六边形、且轴线沿<110>晶向排布。