CN104296899B - 高灵敏度硅压阻压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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本发明涉及一种压力传感器及其制备方法,尤其是一种高灵敏度硅压阻压力传感器及其制备方法,属于半导体压力传感器的技术领域。按照本发明提供的技术方案,所述高灵敏度硅压阻压力传感器,包括硅基底;所述硅基底上贴合有应变膜,且应变膜将硅基底内的上部密封形成真空腔;应变膜的中心区凹设有应力集中区,所述应力集中区位于真空腔的正上方;应变膜上设置用于形成惠斯通电桥桥臂的应变电阻,所述应变电阻位于应力集中区的外圈且位于真空腔的上方;应变膜上的应变电阻通过应变膜上方的金属电极电连接后形成惠斯通电桥;金属电极与应变膜间通过保护层相隔离。本发明结构紧凑,在不增大压力传感器面积和工艺难度下提高了灵敏度,安全可靠。

Description

高灵敏度硅压阻压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种压力传感器及其制备方法,尤其是一种高灵敏度硅压阻压力传感器及其制备方法,属于半导体压力传感器的技术领域。
背景技术
由于半导体传感器具有体积小、重量轻、精度高、温度特性好、制造工艺与半导体集成电路工艺兼容等特点,现已被应用到非常广阔的领域,如汽车、医学、航天、环境等。
近年来,MEMS压力传感器在汽车电子、消费电子和工业电子领域逐渐取代传统的机械量传感器,具有广阔的市场前景,例如轮胎压力监测压力传感器、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器和汽车发动机进气歧管压力传感器等都广泛应用了MEMS技术。
硅压阻式压力传感器包括一个感压膜和其周围的支撑部分,并在感压膜边界内的最大应变区制作了四个压敏电阻,组成惠斯通电桥来感应压力的变化。从压阻式压力传感器的原理知道桥臂电阻的变化量ΔR/R与膜的应力成正比,所以应力越大,灵敏度越高。对同一压力,膜的应力与膜厚成反比,与膜的面积成正比。对于要求高灵敏度的传感器,在不增加面积的情况下只有通过减小膜的厚度来提高灵敏度,但这增加了减薄工艺的难度,且随着膜的厚度减小,应力随位置变化率变大,对于要得到相同性能的压力传感器,这大大增大了制作压敏电阻的工艺难度。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足,提供一种高灵敏度硅压阻压力传感器及其制备方法,其结构紧凑,在不增大压力传感器面积和工艺难度下提高了灵敏度,安全可靠。
按照本发明提供的技术方案,所述高灵敏度硅压阻压力传感器,包括硅基底;所述硅基底上贴合有应变膜,且应变膜将硅基底内的上部密封形成真空腔;应变膜的中心区凹设有应力集中区,所述应力集中区位于真空腔的正上方;应变膜上设置用于形成惠斯通电桥桥臂的应变电阻,所述应变电阻位于应力集中区的外圈且位于真空腔的上方;应变膜上的应变电阻通过应变膜上方的金属电极电连接后形成惠斯通电桥;金属电极与应变膜间通过保护层相隔离。
所述应变电阻的外侧设置有离子注入导线,所述离子注入导线通过金属连接导线与金属电极电连接,以将应变膜上的应变电阻连接形成惠斯通电桥;金属电极与金属连接导线为同一工艺制造层。
所述金属电极与保护层之间设置有接触层,所述保护层支撑在应变膜上,保护层以及金属连接导线上覆盖有钝化层。
所述硅基底内的上部设有凹槽,在所述凹槽的侧壁、底壁以及硅基底的表面上均设置有键合层;应变膜与键合层硅硅键合,以使得应变膜贴合在硅基底上,应变膜将凹槽密封形成真空腔。
所述接触层为TiN层,接触层的厚度为0.05μm~0.5μm,保护层为氧化硅层,钝化层为氮化硅层。
一种高灵敏度硅压阻压力传感器的制备方法,所述压力传感器的制备方法包括如下步骤:
a、提供上部具有凹槽的硅基底,所述硅基底上贴合应变膜,以通过应变膜将硅基底内的凹槽密封形成真空腔;
b、在上述应变膜上进行离子注入,以形成若干应变电阻区,所述应变电阻区位于真空腔的上方;
c、在上述应变膜上再次进行离子注入,以形成注入导线区,所述注入导线区与应变电阻区相接触;
d、将上述形成注入导线区的应变膜及硅基底进行退火,以在应变膜上形成离子注入导线以及用于形成惠斯通电桥桥臂的应变电阻,离子注入导线与相对应的应变电阻接触;
e、在上述应变膜的上方淀积保护层,所述保护层覆盖在应变膜、离子注入导线以及应变电阻上;
f、选择性地掩蔽和刻蚀上述保护层,以在离子注入导线的上方形成贯通保护层的窗口,所述窗口位于真空腔的外侧;
g、在上述保护层上设置接触膜层,所述接触膜层覆盖在保护层上,并覆盖窗口的侧壁及底壁;
h、在上述接触膜层上设置金属层,所述金属层通过接触膜层与保护层相隔离;
i、选择性地掩蔽和刻蚀上述金属层,以去除真空腔正上方对应的金属层以及接触膜层,以在应变膜上得到接触层以及金属导体;金属导体通过接触层与保护层隔离,且金属导体通过接触层与离子注入导线电连接;
j、在上述应变膜的上方淀积钝化层,所述钝化层覆盖在金属导体、接触层以及保护层上;
k、选择性地掩蔽和刻蚀钝化层,并刻蚀真空腔中心区上方的保护层及应变膜,以在金属导体的上方形成贯通钝化层的电极窗口,并在真空腔的上方形成应力集中区,应变电阻位于应力集中区的外圈。
所述步骤a包括如下步骤:
a1、提供具有两个相对主面的硅基底,所述两个主面包括第一主面以及第二主面;在硅基底的第一主面上刻蚀得到凹槽;
a2、在上述硅基底的第一主面上热氧化得到键合层,所述键合层覆盖凹槽的侧壁、底壁以及硅基底的第一主面;
a3、提供应变膜硅基,并将所述应变膜硅基与键合层通过硅硅键合,以使得应变膜硅基贴合在硅基底上;硅基底内的凹槽通过应变膜硅基密封后形成真空腔;
a4、将上述应变膜硅基进行减薄,以在硅基底上形成所需的应变膜。
所述保护层为氧化硅层,所述保护层的厚度为0.1μm~1μm。
所述步骤d中,退火的温度为900℃~1100℃。
所述金属层的材料为铝铜或铝硅铜合金,金属层的厚度为1μm~4μm。
本发明的优点:真空腔通过刻蚀硅基底,然后将硅基底与应变膜硅基硅硅键合形成,应变膜通过减薄应变膜硅基得到,应变电阻通过离子注入工艺形成,钝化层和保护层保护了下方的应变电阻以及离子注入导线,提高了产品的稳定性。通过在应变膜内设置应力集中区,从而使应力从应力集中区到应变膜上,增大应变电阻的阻值变化,从而提高了压力传感器的灵敏度,降低了工艺难度,方法简单,提高了产品的良率和可靠性。
附图说明
图1为本发明的立体图。
图2为本发明去除钝化层以及保护层后的立体图。
图3为本发明的截面剖视图。
图4为本发明的剖视图。
图5~图21为本发明的具体实施工艺步骤剖视图,其中
图5为本发明硅基底的剖视图。
图6为本发明在硅基底上得到凹槽后的剖视图。
图7为本发明得到键合层后的剖视图。
图8为本发明应变膜硅基的剖视图。
图9为本发明应变膜硅基键合在硅基底上的剖视图。
图10为本发明将应变膜硅基减薄得到应变膜后的剖视图。
图11为本发明在应变膜上得到应变电阻区后的剖视图。
图12为本发明在应变膜上得到注入导线区后的剖视图。
图13为本发明在应变膜上得到应变电阻以及离子注入导线后的剖视图。
图14为本发明得到保护层后的剖视图。
图15为本发明得到窗口后的剖视图。
图16为本发明得到接触膜层后的剖视图。
图17为本发明得到金属层后的剖视图。
图18为本发明得到金属导体后的剖视图。
图19为本发明得到钝化层后的剖视图。
图20为本发明得到金属电极后的剖视图。
图21为本发明得到应变集中区后的剖视图。
附图标记说明:1-硅基底、2-键合层、3-应变膜、4-应变集中区、5-真空腔、6-应变电阻、7-离子注入导线、8-接触层、9-保护层、10-金属电极、11-金属导线、12-钝化层、13-凹槽、14-应变膜硅基、15-窗口、16-接触膜层、17-金属层、18-第一主面、19-第二主面、20-应变电阻区、21-注入导线区及22-金属导体。
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、图2、图3和图4所示:为了能在不增大压力传感器面积和工艺难度下提高了灵敏度,本发明包括硅基底1;所述硅基底1上贴合有应变膜3,且应变膜3将硅基底1内的上部密封形成真空腔5;应变膜3的中心区凹设有应力集中区4,所述应力集中区4位于真空腔5的正上方;应变膜3上设置用于形成惠斯通电桥桥臂的应变电阻6,所述应变电阻6位于应力集中区4的外圈且位于真空腔5的上方;应变膜3上的应变电阻6通过应变膜3上方的金属电极10电连接后形成惠斯通电桥;金属电极10与应变膜3间通过保护层9相隔离。
具体地,应力集中区4位于应变膜3的中心区,通过对应变膜3的中心区进行刻蚀得到,即应力集中区4对应的应变膜3的厚度低于应变膜3其他部分的厚度,使得整个压力传感器工作时的应力会集中在应力集中区4,从而会提高检测的灵敏度。应变膜3贴合在硅基底1上后,通过真空腔5能保证压力传感器在工作时检测到的压力为绝对压力值。为了能够形成惠斯通电桥,在应变膜3上设置四组均匀分布的应变电阻6,所述应变电阻6通过金属电极10连接后形成惠斯通电桥,通过惠斯通电桥能够感应压力的变化。
所述应变电阻6的外侧设置有离子注入导线7,所述离子注入导线7通过金属连接导线11与金属电极10电连接,以将应变膜3上的应变电阻6连接形成惠斯通电桥;金属电极10与金属连接导线11为同一工艺制造层。
为了能够实现应变电阻6与金属电极10之间的电连接,本发明实施例中,在应变膜3内还设置有离子注入导线7,所述离子注入导线7分布于每组应变电阻6的外侧,金属电极10通过同一工艺制造层的金属连接导线11与离子注入导线7接触电连接,从而能够使得金属电极10与应变电阻6对应电连接。当应变膜3上的应变电阻6与对应的金属电极10电连接后,能够在应变膜3上得到惠斯通电桥。
所述金属电极10与保护层9之间设置有接触层8,所述保护层9支撑在应变膜3上,保护层9以及金属连接导线11上覆盖有钝化层12。
本发明实施例中,金属电极10以及金属连接导线11的材料采用铝铜合金或铝硅铜合金,为了防止硅铝互熔,在金属电极10与保护层9之间设置接触层8,且金属连接导线11与离子注入导线7间间隔有接触层8,接触层8采用TiN层,接触层8的厚度为0.05μm~0.5μm,保护层9为氧化硅层。钝化层12为氮化硅层。
所述硅基底1内的上部设有凹槽13,在所述凹槽13的侧壁、底壁以及硅基底1的表面上均设置有键合层2;应变膜3与键合层2硅硅键合,以使得应变膜3贴合在硅基底1上,应变膜3将凹槽13密封形成真空腔5。
为了能够形成真空腔5以及能让应变膜3贴合在硅基底1上,本发明实施例中,硅基底1内的上部设置凹槽13,通过热氧化在硅基底1上新村键合层2,键合层2为氧化硅层。硅基底1通过键合层2与应变膜3硅硅键合,应变膜3通过硅硅键合后固定在硅基底1上后,应变膜3将凹槽13密封,以形成所需的真空腔5。
如图5~图21所示,上述结构的高灵敏度硅压阻压力传感器可以通过下述步骤制备得到,具体地,包括如下步骤:
a、提供上部具有凹槽13的硅基底1,所述硅基底1上贴合应变膜3,以通过应变膜3将硅基底1内的凹槽13密封形成真空腔5;
具体地,所述步骤a包括如下步骤:
a1、提供具有两个相对主面的硅基底1,所述两个主面包括第一主面18以及第二主面19;在硅基底1的第一主面18上刻蚀得到凹槽13;
如图5和图6所示,硅基底1的厚度为300μm~800μm,利用干法或湿法刻蚀,在硅基底1内的上部刻蚀盲孔,以得到凹槽13,所述凹槽13的深度为5μm~100μm,宽度为100μm,凹槽13位于硅基底1的中心区。
a2、在上述硅基底1的第一主面18上热氧化得到键合层2,所述键合层2覆盖凹槽13的侧壁、底壁以及硅基底1的第一主面18;
如图7所示,通过热氧化的方式,在硅基底1的第一主面18上得到键合层2,键合层2为0.5μm~2μm的氧化硅层,在具体实施时,硅基底1的第二主面上也会存在键合层2,通过键合层2能够实现硅基底1与后续的应变膜硅基进行硅硅键合。
a3、提供应变膜硅基14,并将所述应变膜硅基14与键合层2通过硅硅键合,以使得应变膜硅基14贴合在硅基底1上;硅基底1内的凹槽13通过应变膜硅基13密封后形成真空腔5;
如图8和图9所示,应变膜硅基14可以为N型或P型硅,应变膜硅基14的厚度无具体厚度要求,只需负荷能与硅基底1进行硅硅键合即可。应变膜硅基14通过与键合层2硅硅键合工艺过程中,能够保证凹槽13形成真空腔5。
a4、将上述应变膜硅基14进行减薄,以在硅基底1上形成所需的应变膜3。
如图10所示,将应变膜硅基14进行减薄,形成应变膜3,应变膜硅基14减薄的厚度在具体实施时压力传感器的量程决定,对应变膜硅基14减薄的方法可以采用本技术领域常用的减薄方法,具体不再赘述。
b、在上述应变膜3上进行离子注入,以形成若干应变电阻区20,所述应变电阻区20位于真空腔5的上方;
如图11所示,通过应变电阻区20能在高温退火后形成应变电阻6,形成的应变电阻6一般的方块电阻为150到250欧姆,注入的离子浓度、工艺条件根据需要,应变电阻6的阻值在4000到6000欧姆左右。
c、在上述应变膜3上再次进行离子注入,以形成注入导线区21,所述注入导线区21与应变电阻区20相接触;
如图12所示,注入导线区21的离子浓度高于上述应变电阻区20的离子注入浓度,注入导线区21注入的离子类型与应变电阻区20的离子类型一致,但注入导线区21注入的离子浓度为应变电阻区20的离子浓度的10倍以上。通过对注入导线区21进行高温退火后,能够形成离子注入导线7。
d、将上述形成注入导线区21的应变膜3及硅基底1进行退火,以在应变膜3上形成离子注入导线7以及用于形成惠斯通电桥桥臂的应变电阻6,离子注入导线7与相对应的应变电阻6接触;
如图13所示,对应变膜3以及硅基底1进行退火的温度为900℃~1100℃,进行高温退火以将注入的离子扩散到应变膜3中,最终形成应变电阻6以及离子注入导线7,离子注入导线7位于应变电阻6的外圈,离子注入导线7与应变电阻6的边缘区域相交,保证离子注入导线7与应变电阻6之间的导通性能。应变电阻6位于真空腔5的上方,离子注入导线7有部分位于真空腔5的外侧。应变膜3上的应变电阻6能够用于形成惠斯通电桥的四个桥臂,应变电阻6通过离子注入导线7能够方便应变电阻6的连接。
e、在上述应变膜3的上方淀积保护层9,所述保护层9覆盖在应变膜3、离子注入导线7以及应变电阻6上;
如图14所示,保护层9为氧化硅层,所述保护层9的厚度为0.1μm~1μm。通过保护层9能够保护应变电阻6以及离子注入导线7。
f、选择性地掩蔽和刻蚀上述保护层9,以在离子注入导线7的上方形成贯通保护层9的窗口15,所述窗口15位于真空腔5的外侧;
如图15所示,对保护层9进行选择性地刻蚀后,得到贯通所述保护层8并位于离子注入导线7上方的窗口15,所述窗口15位于离子注入导线7对应远离应变电阻6的一侧,即窗口15远离应变电阻6。
g、在上述保护层9上设置接触膜层16,所述接触膜层16覆盖在保护层9上,并覆盖窗口15的侧壁及底壁;
如图16所示,在上述保护层9上溅射接触膜层16,接触膜层16的材料为TiN,接触膜层16的厚度为0.05μm~0.5μm,通过接触膜层16能够形成接触层8;在溅射接触膜层16时,所述接触膜层16也会填充在窗口15内,即会覆盖窗口15的侧壁以及底壁,接触膜层16的填充厚度要小于窗口15的深度,以留出允许金属层17嵌置的空间。
h、在上述接触膜层16上设置金属层17,所述金属层17通过接触膜层16与保护层9相隔离;
如图17所示,在接触膜层16上溅射金属材料,得到金属层17,所述金属层17的材料为铝铜或铝硅铜合金,金属层17的厚度为1μm~4μm。在得到金属层17后,金属层17能填充在窗口15内并覆盖在接触膜层16上。
i、选择性地掩蔽和刻蚀上述金属层17,以去除真空腔5正上方对应的金属层17以及接触膜层16,以在应变膜3上得到接触层8以及金属导体22;金属导体22通过接触层8与保护层9隔离,且金属导体22通过接触层8与离子注入导线7电连接;
如图18所示,在用干法或湿法刻蚀金属层17时,需要将金属层17下方的接触膜层16同时刻蚀去除,在去除真空腔5正上方对应的接触膜层16后,得到接触层8,在对金属层17刻蚀后,能得到金属导体22。金属导体22通过接触层8与下方的保护层9相间隔,金属导体22通过接触层8与离子注入导线7相接触。本发明实施例中,金属导体22与接触层8均位于真空腔5的外侧。
j、在上述应变膜3的上方淀积钝化层12,所述钝化层12覆盖在金属导体22、接触层8以及保护层9上;
如图19所示,钝化层12为氮化硅层,钝化层的厚度为0.1μm~0.5μm,钝化层11同时会覆盖在金属导体22、接触层8以及保护层9,以对金属导体22、接触层8以及保护层9进行保护。在淀积钝化层12后,需要进行退火处理,退火温度为700℃到800℃左右,进行退火以固化氮化硅,消除氮化硅层薄膜的应力,能让金属导体22内结合的更为紧密。
k、选择性地掩蔽和刻蚀钝化层12,并刻蚀真空腔5中心区上方的保护层9及应变膜3,以在金属导体22的上方形成贯通钝化层12的电极窗口,并在真空腔5的上方形成应力集中区4,应变电阻6位于应力集中区4的外圈。
如图20和图21所示,采用干法刻蚀钝化层12,在金属导体22的上方形成贯通钝化层12的电极窗口,本发明实施例中,与电极窗口相对应的金属导体22形成金属电极10,被钝化层12覆盖的金属导体22部分形成金属连接导线11,金属电极10用于与外部进行连接,金属电极10以及金属连接导线11均与接触层8接触,金属连接导线11位于窗口15内的部分通过接触层8与离子注入导线7电连接。
为了能够形成应力集中区4,在刻蚀钝化层12时,需要对真空腔5中心区上方的保护层9以及应变膜3进行对应刻蚀,即将真空腔5上方相对应的保护层9刻蚀掉,将应变膜3相对应的区域变薄,应变膜3内的应力集中区4的厚度由压力传感器的量程决定,应力集中区4的宽度小于真空腔5的宽度,即在真空腔5的正上方依然具有保护层9及应变膜3。
如图1~图21所示:工作时,应变膜3感受到压力后产生应力,由于应力集中区4的厚度较薄,因此应力从应力集中区4集中到应变膜3的应变电阻6所在的区域,应变电阻6的阻值产生变化,由应变电阻6组成的惠斯通电桥会将电阻的变化转换为电信号输出,输出的电信号与受到的压力成线性关系,由此能够完成压力的检测。
本发明真空腔5通过刻蚀硅基底1,然后将硅基底1与应变膜硅基14硅硅键合形成,应变膜3通过减薄应变膜硅基14得到,降低了硅硅键合后减薄工艺的难度,应变电阻6通过离子注入工艺形成,钝化层12和保护层9保护了下方的应变电阻6以及离子注入导线7,提高了产品的稳定性。通过在应变膜3内设置应力集中区4,从而使应力从应力集中区4到应变膜3上,增大应变电阻6的阻值变化,从而通过刻蚀应变膜3形成应力集中区4的方法提高了应变膜3在相同厚度下的灵敏度,降低了工艺难度,方法简单,提高了产品的良率和可靠性。

Claims (2)

1.一种高灵敏度硅压阻压力传感器的制备方法,其特征是,包括如下制备步骤:
(a)、提供上部具有凹槽(13)的硅基底(1),所述硅基底(1)上贴合应变膜(3),以通过应变膜(3)将硅基底(1)内的凹槽(13)密封形成真空腔(5);
(b)、在上述应变膜(3)上进行离子注入,以形成若干应变电阻区(20),所述应变电阻区(20)位于真空腔(5)的上方;
(c)、在上述应变膜(3)上再次进行离子注入,以形成注入导线区(21),所述注入导线区(21)与应变电阻区(20)相接触;
(d)、将上述形成注入导线区(21)的应变膜(3)及硅基底(1)进行退火,以在应变膜(3)上形成离子注入导线(7)以及用于形成惠斯通电桥桥臂的应变电阻(6),离子注入导线(7)与相对应的应变电阻(6)接触;
(e)、在上述应变膜(3)的上方淀积保护层(9),所述保护层(9)覆盖在应变膜(3)、离子注入导线(7)以及应变电阻(6)上;
(f)、选择性地掩蔽和刻蚀上述保护层(9),以在离子注入导线(7)的上方形成贯通保护层(9)的窗口(15),所述窗口(15)位于真空腔(5)的外侧;
(g)、在上述保护层(9)上设置接触膜层(16),所述接触膜层(16)覆盖在保护层(9)上,并覆盖窗口(15)的侧壁及底壁;
(h)、在上述接触膜层(16)上设置金属层(17),所述金属层(17)通过接触膜层(16)与保护层(9)相隔离;
(i)、选择性地掩蔽和刻蚀上述金属层(17),以去除真空腔(5)正上方对应的金属层(17)以及接触膜层(16),以在应变膜(3)上得到接触层(8)以及金属导体(22);金属导体(22)通过接触层(8)与保护层(9)隔离,且金属导体(22)通过接触层(8)与离子注入导线(7)电连接;
(j)、在上述应变膜(3)的上方淀积钝化层(12),所述钝化层(12)覆盖在金属导体(22)、接触层(8)以及保护层(9)上;
(k)、选择性地掩蔽和刻蚀钝化层(12),并刻蚀真空腔(5)中心区上方的保护层(9)及应变膜(3),以在金属导体(22)的上方形成贯通钝化层(12)的电极窗口,并在真空腔(5)的上方形成应力集中区(4),应变电阻(6)位于应力集中区(4)的外圈;
所述步骤(a)包括如下步骤:
(a1)、提供具有两个相对主面的硅基底(1),所述两个主面包括第一主面(18)以及第二主面(19);在硅基底(1)的第一主面(18)上刻蚀得到凹槽(13);
(a2)、在上述硅基底(1)的第一主面(18)上热氧化得到键合层(2),所述键合层(2)覆盖凹槽(13)的侧壁、底壁以及硅基底(1)的第一主面(18);
(a3)、提供应变膜硅基(14),并将所述应变膜硅基(14)与键合层(2)通过硅硅键合,以使得应变膜硅基(14)贴合在硅基底(1)上;硅基底(1)内的凹槽(13)通过应变膜硅基(14)密封后形成真空腔(5);
(a4)、将上述应变膜硅基(14)进行减薄,以在硅基底(1)上形成所需的应变膜(3);
所述保护层(9)为氧化硅层,所述保护层(9)的厚度为0.1μm~1μm;
所述步骤(d)中,退火的温度为900℃~1100℃;
所述金属层(17)的材料为铝铜或铝硅铜合金,金属层(17)的厚度为1μm~4μm。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度硅压阻压力传感器的制备方法,其特征是:所述接触层(8)为TiN层,接触层(8)的厚度为0.05μm~0.5μm,保护层(9)为氧化硅层,钝化层(12)为氮化硅层。
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