CN104931163A - 一种双soi结构mems压力传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种双SOI结构MEMS压力传感器芯片及其制备方法，所述压力传感器芯片包括第一SOI结构，构成压力传感器的衬底和压力敏感膜，第二SOI结构为表层SOI结构，包括通过生长绝缘隔离介质，在绝缘介质上淀积掺杂α-硅作为压敏电阻材料，通过刻蚀组成惠斯通电桥结构，该第二SOI结构，取代常规的PN结隔离模式，提高了传感器芯片的工作温度范围。本发明涉及的双SOI结构高温MEMS压力传感器芯片适合大批量生产，一致性好，量程精确、芯片尺寸小、耐高温、可靠性高、成本低。

Description

一种双SOI结构MEMS压力传感器芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及MEMS设计和加工领域，具体为一种双SOI结构MEMS压力传感器芯片及其制备方法。

背景技术

MEMS传感器作为一种新型传感器技术，成本显著减低，2014年硅基MEMS器件市场规模达到1100多亿美元；随着智能手机、平板电脑、可穿戴设备的兴起，以及较为成熟的汽车电子和工业控制领域的巨大市场需求，MEMS产业发展进入快车道，其中，MEMS压力传感器是应用最为广泛的传感器之一。

压力传感器从技术原理上主要分为压阻式，电容式，应变式等，种类分为陶瓷压力传感器、MEMS压力传感器、微溶压力传感器、应变压力传感器、溅射膜压力传感器等，MEMS压力传感器凭借其尺寸小、量程覆盖范围广、可大批量生产、成本低等优势领跑MEMS压力传感器市场。

而MEMS压力传感器主要分为电容式和压阻式，电容式由于工艺复杂，工艺稳定性要求高，尚未大批量得到生产和应用，全球90％以上MEMS压力传感器都为硅压阻式，及常说的扩散硅压阻式压力传感器。该传感器能满足大部分民用需求，但由于其PN结隔离方式，导致其无法应用于高温场合，如某些工控、军工、汽车等领域。

本发明涉及的双SOI结构MEMS压力传感器芯片在SOI衬底上通过低温淀积工艺生产一层α-硅薄膜，形成双SOI结构。本发明涉及的双SOI结构MEMS压力传感器芯片尺寸小、成本低、性能优良，可在350℃环境下工作，制备方法简单，无需长时间的湿法腐蚀工艺，可精确控制压力敏感膜厚，灵敏度一致性好。

发明内容

本发明提供了一种双SOI结构MEMS压力传感器芯片及其制备方法，该压力传感器采用SOI衬底与表层SOI结构相结合的方法，利用SOI衬底的自停止腐蚀能力和ICP刻蚀工艺，减小传感器芯片的尺寸，降低成本，同时精确控制传感器灵敏度的一致性；利用表层SOI结构，大大提高传感器的工作温度范围，实现高温压力传感器应用。

本发明的有益效果是，采用SOI衬底制备压力传感器避免长时间的湿法腐蚀，使芯片体积更小，成本大大降低；利用减薄、抛光工艺控制压力敏感膜的厚度，提高了芯片输出信号的一致性；采用绝缘隔离介质层加α-硅薄膜技术形成表层SOI结构，大大提高了传感器的工作温度范围，残余应力小，无PN结漏电，传感器稳定性好。

附图说明

图1为本发明其中一实施例涉及的双SOI结构MEMS压力传感器芯片表压结构截面图；

图2为本发明其中一实施例涉及的双SOI结构MEMS压力传感器芯片绝压结构截面图；

其中：1为P型或N型衬底硅片，2为衬底SOI结构的绝缘隔离介质层，同时作为ICP刻蚀的自停止层，3为单晶硅压力敏感膜，4为顶层SOI的绝缘隔离介质层，5为α-硅电阻，6为金属电极，7为氮化硅，8为压力参考腔，9为键合玻璃片。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图1-2进行详细描述本发明的具体实施方式。

实施例1

本发明提出一种双SOI结构MEMS压力传感器芯片，参见图1，包括：SOI衬底硅片，该SOI衬底硅片包括底层P型或N型衬底硅片1，SOI绝缘隔离介质层2和单晶硅压力敏感膜3；该绝缘隔离介质层2例如为热氧化生成氧化层；对单晶硅压力敏感膜3抛光后，生长绝缘隔离介质层4，改绝缘隔离介质层4可为氧化层或者氮化层；在绝缘隔离介质层4上沉积低温α-硅薄膜，经离子注入掺杂后，刻蚀成桥路电阻5，经1000-1100℃退火；单晶硅层3、绝缘隔离介质层4、α-硅薄膜层5构成顶层SOI结构；该α-硅薄膜层的厚度为0.4～1微米；在α-硅薄膜桥路电阻5上还包括保护层7、例如为氮化硅钝化层；还包括形成在钝化层上与桥路电阻接触的互连引线6，还包括形成在衬底硅片1中的压力参考腔8。

实施例2

本发明还提出一种绝压双SOI结构MEMS压力传感器芯片，参见图2，与实施例1相同的结构和部件不再赘述，区别在于：通过ICP深刻蚀工艺，在衬底硅片1上形成表压芯片压力参考腔8之后，在SOI衬底背面键合玻璃片9，形成绝压压力传感器芯片结构。

实施例3

本发明提出的一种双SOI结构MEMS压力传感器芯片制作方法，包括以下步骤：

(1)根据压力量程要求确定芯片及敏感膜尺寸，通过理论计算确定压力敏感膜上的线性应力区，布置α-硅电阻及金属互连并制作光刻版，完成设计；

(2)P型或N型<100>晶向硅片热氧化，再进行键合，形成SOI衬底硅片，该SOI衬底硅片包括P型或N型衬底硅片1、SOI结构的绝缘隔离介质层2、单晶硅压力敏感膜型3；

(3)对SOI衬底硅片的顶层单晶硅3进行减薄、抛光工艺，减薄至根据理论计算得到的符合要求的单晶硅压力敏感膜厚度，其膜厚由传感器的量程决定；

(4)单晶硅3上进行热氧化生成氧化层或采用LCP工艺生长氮化硅，作为顶层SOI结构的绝缘隔离介质层4；

(5)在绝缘隔离介质层4上通过540-580℃、例如560℃低温工艺淀积α-硅薄膜，该α-硅薄膜的厚度为0.4～1微米，与步骤(4)中的绝缘隔离介质层4的厚度比为1:2～4左右，以形成良好的应力匹配；采用离子注入进行掺杂，再刻蚀后形成桥路电阻5，经1000-1100℃退火；

(6)离子注入形成欧姆接触浓硼区，淀积金属层，刻蚀形成互连引线6；

(7)在金属层上淀积一层氮化硅7，形成钝化层，保护芯片受到污染；

(8)SOI衬底背面通过ICP工艺刻蚀，制作压力参考腔，形成表压或差压压力传感器芯片结构；

(9)通过在SOI衬底背面键合玻璃片9，形成绝压压力传感器芯片结构。

本发明提出一种双SOI结构MEMS压力传感器芯片及其制备方法，所述压力传感器芯片的包括第一SOI结构，构成压力传感器的衬底和压力敏感膜，第二SOI结构为表层SOI结构，包括通过生长绝缘隔离介质，在绝缘介质上淀积掺杂α-硅作为压敏电阻材料，通过刻蚀组成惠斯通电桥结构，该第二SOI结构，取代常规的PN结隔离模式，提高了传感器芯片的工作温度范围。本发明涉及的双SOI结构高温MEMS压力传感器芯片适合大批量生产，一致性好，量程精确、芯片尺寸小、耐高温、可靠性高、成本低。

Claims (10)

1.一种双SOI结构MEMS压力传感器芯片，其特征在于：所述MEMS压力传感器芯片包括第一SOI结构、第二SOI结构、压力参考腔(8)，其中所述第一SOI结构包括衬底硅片(1)、第一绝缘隔离介质层(2)、单晶硅压力敏感膜(3)，所述第二SOI结构包括单晶硅压力敏感膜(3)、第二绝缘隔离介质层(4)、α-硅薄膜电阻层(5)。

2.根据权利要求1所述的双SOI结构MEMS压力传感器芯片，其特征在于：其中α-硅薄膜电阻层(5)经刻蚀形成惠斯通电桥。

3.根据权利要求1所述的双SOI结构MEMS压力传感器芯片，其特征在于：还包括形成在α-硅薄膜电阻层(5)上的互连引线(6)。

4.根据权利要求1或2所述的双SOI结构MEMS压力传感器芯片，其特征在于：还包括形成在第二绝缘隔离介质层(4)与α-硅薄膜电阻层(5)上的保护层(7)。

5.根据权利要求1所述的双SOI结构MEMS压力传感器芯片，其特征在于：还包括键合在第一SOI结构衬底硅片(1)上的玻璃片(9)，以形成绝压压力传感器芯片结构。

6.一种制备双SOI结构MEMS压力传感器芯片的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备第一SOI结构；

(2)制备第二SOI结构，所述制备第二SOI结构，包括在第一SOI结构的顶层单晶硅压力敏感膜(3)制备第二绝缘隔离介质层(4)，在所述第二绝缘隔离介质层(4)上沉积α-硅薄膜电阻层(5)；

(3)对α-硅薄膜电阻层(5)进行离子注入掺杂，并刻蚀形成惠斯通电桥；

(4)制备互连引线(6)；

(5)对第一SOI结构进行背面刻蚀，制备压力参考腔(8)。

7.根据权利要求6所述的制备双SOI结构MEMS压力传感器芯片的方法，其特征在于，还包括：

根据压力量程要求确定芯片及敏感膜尺寸，通过理论计算确定压力敏感膜上的线性应力区，布置α-硅电阻及金属互连并制作光刻版的设计步骤。

8.根据权利要求6所述的制备双SOI结构MEMS压力传感器芯片的方法，其特征在于，所述制备第一SOI结构包括：

对P型或N型<100>晶向硅片热氧化，再进行键合，形成第一SOI结构，该第一SOI结构包括P型或N型衬底硅片(1)、第一绝缘隔离介质层(2)、单晶硅压力敏感膜(3)。

9.根据权利要求6所述的制备双SOI结构MEMS压力传感器芯片的方法，其特征在于，所述沉积α-硅薄膜电阻层(5)包括：在第二绝缘隔离介质层(4)上通过540-580℃低温工艺淀积α-硅薄膜，该α-硅薄膜的厚度为0.4～1微米。

10.根据权利要求6所述的制备双SOI结构MEMS压力传感器芯片的方法，其特征在于，还包括在第一SOI结构背面键合玻璃片(9)的步骤。