CN104280186A - 温漂自补偿soi压力传感器的制备及补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种温漂自补偿SOI压力传感器的制备方法及补偿方法，其包括SOI衬底，所述SOI衬底上设有用于配置成惠斯通电桥的桥路电阻，且SOI衬底对应设置桥路电阻的表面设置用于对惠斯通电桥进行温度补偿的补偿电阻，所述补偿电阻及桥路电阻上设置电连接的互连引线；桥路电阻及补偿电阻间通过绝缘隔离层及钝化层相隔离，绝缘隔离层覆盖于SOI衬底上，钝化层覆盖于绝缘隔离层上；刻蚀对应于设置桥路电阻另一侧的SOI衬底以形成压力腔及压力敏感膜，所述压力腔及压力敏感膜位于桥路电阻的正下方。本发明结构紧凑，实现温漂自补偿，降低成本，稳定性高，一致性好，适合批量生产，适应范围广，安全可靠。
Description
本发明是2011年11月23日提出的、申请号为201110375349.X、发明名称为“温漂自补偿SOI压力传感器”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种压力传感器，尤其是一种温漂自补偿SOI压力传感器，属于MEMS传感器的技术领域。
背景技术
利用硅的压阻效应制造的压力传感器，就是采用集成电路工艺中的离子注入及扩散工艺在硅片表面形成一组阻值几乎相等的扩散电阻，各电阻之间形成金属互联，连接成惠斯通电桥。当弹性敏感膜片在外部压力作用下发生形变从而产生应力时，其上的桥路电阻即随之产生相应的变化，传感器输出一个与外部压力成比例的电信号，从而实现对压力的测量。
压阻式微压力传感器是最早被研究并产业化的MEMS（微机电系统）技术产品，大部分压阻式压力传感器都采用PN结隔离的形式，这种结构的缺点是温度漂移过大；另外工作温度高于125℃时，由于PN结的漏电迅速增大，导致传感器失效。高温压力传感器是指在高于125℃环境下能正常工作的压力传感器，以其优良的高温工作能力在压力传感器中一直受到高度重视，是传感器研究的重要领域之一，也是各国政府努力掌握的高科技技术之一。高温压力传感器在石油、化工、冶金、工业过程控制、兵器工业甚至食品工业中都起着重要作用，许多环境条件下的检测都离不开高温压力传感器，尤其在武器系统中高温压力传感器是动力系统所不可缺少的。
另外，由于电阻是温度敏感器件，未补偿之前的压力传感器其零点和灵敏度随着温度的变化而改变，极大的影响了传感器的精度，通常都要对其进行温漂的补偿。而目前压力传感器补偿分为硬件补偿和软件补偿两种，前者需要大量的人力，对每只芯片在使用温度范围内进行补偿前的温漂测试，然后选择不同的器件，比如二极管、热敏电阻等进行补偿，一致性较差，工作量大；而软件补偿成本高昂，目前国内多为进口ASIC芯片进行补偿，价格高，也限制了国内传感器产业的发展。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种温漂自补偿SOI压力传感器，其结构紧凑，实现温漂自补偿，降低成本，稳定性高，大幅度的提高了工作温度范围，一致性好，适合批量生产，适应范围广，安全可靠。
按照本发明提供的技术方案，所述温漂自补偿SOI压力传感器，包括SOI衬底，所述SOI衬底上设有用于配置成惠斯通电桥的桥路电阻，且SOI衬底对应设置桥路电阻的表面设置用于对惠斯通电桥进行温度补偿的补偿电阻，所述补偿电阻及桥路电阻上设置电连接的互连引线；桥路电阻及补偿电阻间通过绝缘隔离层及钝化层相隔离，绝缘隔离层覆盖于SOI衬底上，钝化层覆盖于绝缘隔离层上；刻蚀对应于设置桥路电阻另一侧的SOI衬底以形成压力腔及压力敏感膜，所述压力腔及压力敏感膜位于桥路电阻的正下方。
所述SOI衬底包括衬底，所述衬底上淀积有绝缘介质层，所述绝缘介质层上淀积有导电材料，以形成SOI衬底。
所述SOI衬底对应于形成压力腔的一侧键合有玻璃片，所述玻璃片与SOI衬底及压力腔对应配合，且玻璃片封堵SOI衬底上的压力腔。
所述玻璃片上设有贯通玻璃片的玻璃孔，所述玻璃孔与压力腔相连通。所述补偿电阻包括恒压供电补偿电阻或恒流供电补偿电阻。
所述绝缘介质层的材料为二氧化硅、氮化硅或二氧化硅与氮化硅的复合。所述绝缘隔离层包括氮化硅层。
所述钝化层包括氮化硅层。所述互连引线的材料包括铝或金。所述导电材料为多晶硅或纳米硅，所述导电材料通过LPCVD或PECVD淀积于绝缘介质层上。
本发明的优点：压力传感器的衬底采用SOI衬底，大大提高了传感器的稳定性以及工作温度范围, 得以应用于各种工业控制领域，特别是一些高温环境；对于压力传感器来说，温漂是一个不容易解决的问题，通过在SOI衬底上设置恒压供电补偿电阻及恒流供电补偿电阻，根据需要选择恒压供电补偿电阻或恒流供电补偿电阻与桥路电阻配置成的惠斯通电桥相连，实现对压力传感器的温度自补偿；自补偿之后零点温漂和灵敏度温漂都能有效控制，可以满足消费电子以及工业控制类需求；由于是集成工艺，因此成本极低；采用半导体工艺，适合批量生产，产品一致性好，灵敏度高，可应用于微压、低压、中压以及高压等各种环境。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2~图7为本发明具体实施工艺步骤剖视图，其中：
图2为形成SOI衬底的剖视图。
图3为形成桥路电阻及补偿电阻后的剖视图。
图4为淀积绝缘隔离层并刻蚀出引线孔后的剖视图。
图5为形成互连引线后的剖视图。
图6为形成钝化层后的剖视图。
图7为形成压力感应膜后的剖视图。
图8为键合玻璃片形成绝压传感器后的剖视图。
图9为形成表压传感器后的剖视图。
图10为本发明封装后的俯视图。
附图标记说明：1-衬底、2-绝缘介质层、3-桥路电阻、4-恒压供电补偿电阻、5-恒流供电补偿电阻、6-绝缘隔离层、7-互连引线、8-钝化层、9-压力腔、10-压力敏感膜、11-玻璃片及12-玻璃孔。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示：为了提高压力传感器的测量精度及温度适应范围，所述压力传感器包括SOI衬底，所述SOI衬底上淀积导电材料并得到用于配置成惠斯通电桥的桥路电阻3，且为了降低温漂影响，所述SOI衬底上设有补偿电阻，所述补偿电阻包括恒压供电补偿电阻4或恒流供电补偿电阻5，SOI衬底上同时设置了恒压供电补偿电阻4及恒流供电补偿电阻5，根据需要选择恒压供电补偿电阻4或恒流供电补偿电阻5，能够降低温度对惠斯通电桥输出检测信号的影响。SOI衬底上设置四个桥路电阻3，四个桥路电阻3分别形成惠斯通电桥的桥臂。
为了能够将桥路电阻3、恒压供电补偿电阻4及恒流供电补偿电阻5引出，所述桥路电阻3、恒压供电补偿电阻4及恒流供电补偿电阻5上设有电连接的互连引线7。同时，桥路电阻3、恒压供电补偿电阻4及恒流供电补偿电阻5通过绝缘隔离层6及钝化层8进行隔离，所述绝缘隔离层6覆盖于SOI衬底上，并覆盖于相应的桥路电阻3、恒压供电补偿电阻4及恒流供电补偿电阻5上；钝化层8淀积覆盖于绝缘隔离层6上。SOI衬底对应于设置桥路电阻3的另一侧设置压力腔9，为了形成压力腔9，对SOI衬底进行湿法腐蚀或干法-湿法腐蚀相结合的工艺，压力腔9从SOI衬底的表面向内延伸，且压力腔9的向内延伸的距离小于SOI衬底的厚度，以形成压力敏感膜10，压力敏感膜10的厚度由压力传感器的灵敏度等参数决定。压力腔9及压力敏感膜10位于桥路电阻3的正下方。
如图8和图9所示：可以根据不同的需要，在SOI衬底上对应形成压力腔9的一侧键合玻璃片11，所述玻璃片11与SOI衬底及压力腔9相对应配合；从而能够形成作表压压力传感器和绝压压力传感器。当作为表压压力传感器时，在玻璃片11上打有玻璃孔12，所述玻璃孔12与压力腔9相连通。当作为绝压压力传感器时，玻璃片11封堵压力腔9。
如图2~图7所示：为了得到上述结构的压力传感器，可以通过下述工艺步骤实现：
（1）、根据传感器的参数要求，确定衬底材料的厚度、掺杂类型、电阻率，芯片以及敏感膜的尺寸等，通过理论计算确定压力敏感膜10上的线性应力区，布置桥路电阻、补偿电阻及金属互连；由于不同的供电方式，温漂补偿方式也会不同，在设计时，可以将恒压供电的补偿网络和恒流供电的补偿网络集成在同一款芯片上，以制成通用芯片，用户可以根据自己的需要进行连线即可；最终完成设计并制作光刻版；
（2）、如图2所示：所述衬底1的上表面淀积有绝缘介质层2，所述绝缘介质层2可为二氧化硅、氮化硅或二氧化硅与氮化硅复合形成，作为SOI结构的绝缘隔离介质层；
（3）、通过LPCVD（低压化学汽相淀积）或者PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）沉积技术，在绝缘介质层2上淀积多晶硅或生长纳米硅，以形成SOI衬底；由于多晶硅和纳米硅的特性不一样，生产出来的传感器性能也有一定的差别；
（4）、由于桥路电阻3与补偿电阻的参数不一样，需要对顶层的多晶硅或纳米硅采用不同的离子注入浓度进行掺杂以及退火工艺，并对多晶硅或纳米硅进行刻蚀，以分别形成桥路电阻3和恒压供电补偿电阻4、恒流供电补偿电阻5，桥路电阻3和恒压供电补偿电阻4、恒流供电补偿电阻5的参数由第一步的理论设计决定，并受到注入浓度以及刻蚀精度等工艺的影响，并最终影响到传感器的零点输出以及温漂等性能；如图3所示：
（5）、淀积绝缘隔离层6，如图4所示，作为金属化的隔离层，所述绝缘隔离层6可为氮化硅；在桥路电阻3、恒压供电补偿电阻4、恒流供电补偿电阻5对应的端部进行光刻引线孔、离子注入形成欧姆接触浓硼区；通过在引线孔内淀积金属互连引线7，如图5所示；所述互连引线7的金属可为铝或金等（包括多层金属），对于高温压力传感器芯片来说，用金做引线，可使用的温度范围更宽，最高可在350°C的温度下使用，而铝通常只能在180°C以内的温度范围内使用；
（6）、反刻引线和压焊块，合金化处理，如图5所示；
（7）、如图6所示，淀积钝化层8，所述钝化层8的材料可为氮化硅，作为传感器的钝化层，还可以再淀积导电材料用作屏蔽层，对钝化层和屏蔽层进行刻蚀，露出压焊区域，即露出互连引线7对应的区域；
（8）、如图7所示，对SOI衬底的背面进行深刻蚀，通常采用湿法腐蚀或者干法-湿法腐蚀相结合的工艺，腐蚀出一定深度的压力腔9，压力腔9上面保留一定厚度的衬底材料，以形成传感器的压力敏感膜10，压力敏感膜10的厚度由传感器的灵敏度等参数决定；
（9）、根据不同的应用，决定是否需要键合玻璃片11，玻璃片11分为打孔玻璃片和不打孔玻璃片，可分别制作表压压力传感器和绝压压力传感器；如图8和图9所示，分别为绝压产品和表压产品，11为硅-玻璃键合工艺中用到的玻璃片，12为表压产品中打孔玻璃的玻璃孔；
（10）、划片、封装、测试，完成压力传感器的制备。
如图1和图10所示：使用时，所述桥路电阻3通过相对应的电极7分别与对应的外部接线端连接；在零压力下，理论上4只桥臂电阻的阻值应该一样，电桥处于平衡状态，压力传感器的输出为0；当有压力作用于压力敏感膜10上时，压力会引起压力敏感膜10的形变，当压力敏感膜10发生对应的形变后，桥路电阻3的阻抗值会发生相应的变化，电桥不再平衡，通过检测压力传感器的外部接线端相对应的输出信号，能够得到压力传感器的灵敏度，即能实现外部压力信号的检测。根据需要选择恒压供电补偿电阻4或恒流供电补偿电阻5通过互连引线7与桥路电阻3配置成的惠斯通电桥相连，恒流供电补偿电阻5通过并联进行补偿，恒压供电补偿电阻4通过串联进行补偿。当温度发生变化时，通过恒压供电补偿电阻4的分压或恒流供电补偿电阻5的分流来实现温度补偿，提高压力传感器输出的精度。
本发明压力传感器的衬底采用SOI衬底，大大提高了传感器的稳定性以及工作温度范围, 得以应用于各种工业控制领域，特别是一些高温环境；对于压力传感器来说，温漂是一个不容易解决的问题，通过在SOI衬底上设置恒压供电补偿电阻4及恒流供电补偿电阻5，根据需要选择恒压供电补偿电阻4或恒流供电补偿电阻5与桥路电阻3配置成的惠斯通电桥相连，实现对压力传感器的温度自补偿；自补偿之后零点温漂和灵敏度温漂都能有效控制，可以满足消费电子以及工业控制类需求；由于是集成工艺，因此成本极低；采用半导体工艺，适合批量生产，产品一致性好，灵敏度高，可应用于微压、低压、中压以及高压等各种环境。
Claims (9)
1.一种温漂自补偿SOI压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）、在衬底（1）的上表面淀积绝缘介质层（2），作为SOI结构的绝缘隔离介质层；
（2）、在绝缘介质层（2）上淀积导电材料，以形成SOI衬底；
（3）、对导电材料采用不同的离子注入浓度进行掺杂，经退火、刻蚀工艺后，分别形成桥路电阻（3）、恒压供电补偿电阻（4）、恒流供电补偿电阻（5）；
（4）、淀积绝缘隔离层(6)，覆盖桥路电阻（3）、恒压供电补偿电阻（4）、恒流供电补偿电阻（5）；
（5）、在桥路电阻（3）、恒压供电补偿电阻（4）、恒流供电补偿电阻（5）对应的端部进行光刻形成引线孔；
（6）、进行离子注入，形成欧姆接触浓硼区；
（7）、在引线孔内淀积互连引线（7）；
（8）、反刻引线和压焊块，合金化处理；
（9）、淀积钝化层（8）；
（10）、对钝化层（8）进行刻蚀，露出压焊区域；
（11）、对SOI衬底进行背面深刻蚀，形成压力腔（9），压力腔（9）上保留一定厚度的衬底材料，已形成压力敏感膜（10）；
（12）、划片、封装、测试，完成压力传感器的制备。
2.根据权利要求1所述的温漂自补偿SOI压力传感器的制备方法，其特征是：还包括在所述SOI衬底对应于形成压力腔（9）的一侧键合有玻璃片（11）。
3.根据权利要求2所述的温漂自补偿SOI压力传感器的制备方法，其特征是：所述玻璃片（11）上设有贯通玻璃片（11）的玻璃孔（12），所述玻璃孔（12）与压力腔（9）相连通。
4.根据权利要求1所述的温漂自补偿SOI压力传感器的制备方法，其特征是：所述绝缘介质层（2）的材料为二氧化硅、氮化硅或二氧化硅与氮化硅的复合。
5.根据权利要求1所述的温漂自补偿SOI压力传感器的制备方法，其特征是：所述绝缘隔离层（6）包括氮化硅层。
6.根据权利要求1所述的温漂自补偿SOI压力传感器的制备方法，其特征是：所述钝化层（8）包括氮化硅层。
7.根据权利要求1所述的温漂自补偿SOI压力传感器的制备方法，其特征是：所述互连引线（7）的材料包括铝或金。
8.根据权利要求1所述的温漂自补偿SOI压力传感器的制备方法，其特征是：所述导电材料为多晶硅或纳米硅，所述导电材料通过LPCVD或PECVD淀积于绝缘介质层（2）上。
9.根据权利要求1所述的温漂自补偿SOI压力传感器的制备方法所获得的SOI压力传感器的温漂自补偿方法，根据需要，选择恒压供电补偿电阻（4）或恒流供电补偿电阻（5）与桥路电阻（3）配置成的惠斯电桥相连，实现对压力传感器的温度自补偿。
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