CN104931163B - 一种双soi结构mems压力传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

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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 (4)

1.一种制备双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,经1000-1100℃退火;
(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);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,所述α-硅薄膜的厚度与所述第二绝缘隔离介质层(4)的厚度比为1:2-4,以形成良好的应力匹配。
2.根据权利要求1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。
3.根据权利要求1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)。
4.根据权利要求1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。
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