CN105021328B - Cmos工艺兼容的压阻式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器及其制备方法，涉及压力传感器，设有硅衬底、压变膜、压变电阻、金属引线、焊盘、引压腔、圆形通孔、硼硅玻璃底盖；压变膜设于硅衬底上，压变电阻设在压变膜的中间和边缘位置，压变电阻设至少2根；所述金属导线和焊盘设于压变膜的边缘位置，引压腔设于硅衬底背面，所述硼硅玻璃底盖与硅衬底的下部键合并形成硅/玻璃静电键合结构，硼硅玻璃底盖上设有圆形通孔，圆形通孔用于引入压力源；所述CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器其制备方法如下：1)利用CMOS工艺制作压变电阻；2)制作金属引线、焊盘；3)在硅衬底背面刻蚀出引压腔窗口，制作压变膜；4)将硅衬底与硼硅玻璃底盖键合，划片。

Description

CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及压力传感器，具体涉及一种CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器及其制备方法。

背景技术

传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出，但体积大成本高。相对于传统的机械量传感器，压力传感器的尺寸更小，最大的不超过1cm，相对于传统“机械”制造技术，其性价比大幅度提高。

中国专利CN102944339A涉及一种MEMS压阻式压力传感器及其制备方法，该MEMS压阻式压力传感器包括应变膜和压敏电阻，应变膜的正面边缘分布有岛结构，压敏电阻位于所述岛结构上。在制备时基片正面岛结构的制作在背腔各向异性腐蚀之前，避免正面制作岛结构时应变膜出现崩裂。

中国专利CN101082525涉及一种新型压阻式压力传感器，包括内引线、封装外套、外引线、引线孔、衬底和压敏电阻，在所述衬底上设置有闭合框结构压敏电阻和条状压敏电阻，所述四个压敏电阻形成惠斯通全桥互连结构，在所述引线孔中溅射有铝合金，在所述闭合框压敏电阻的表面设置有电子玻璃质量块。其制备方法，按照下述步骤进行：(1)掺杂；(2)表面热氧化；(3)光刻蚀和等离子刻蚀技术加工；(4)光刻引线孔；(5)溅射铝合金；(6)静电封接电子玻璃质量块；(7)测试，封装。

目前的压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机械电子传感器。硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗和极低的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器及其制备方法。

所述CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器设有硅衬底、压变膜、压变电阻、金属引线、焊盘、引压腔、圆形通孔、硼硅玻璃底盖；所述压变膜设于硅衬底上，所述压变电阻设在压变膜的中间和边缘位置，压变电阻设至少2根；所述金属导线和焊盘设于压变膜的边缘位置，所述引压腔设于硅衬底背面，所述硼硅玻璃底盖与硅衬底的下部键合并形成硅/玻璃静电键合结构，硼硅玻璃底盖上设有圆形通孔，圆形通孔用于引入压力源。

所述硅衬底可由常见的未掺杂的硅构成，厚度可为300μm，这种衬底既可以在低温(诸如在环境温度)，也可以在超过1000℃的高温给予传感器足够的稳定性。

所述压变膜可为方形压变膜，所述方形压变膜的两边固定，两边自由。

所述压变膜的厚度可为0.5～20μm,优选1～10μm，压阻效应在高温时特别明显，因此在高温时，例如在高于500℃时是最好的。

所述压变电阻可采用场效应管。

所述金属导线以及焊盘用于外接电路以检测压变膜受到压力引起的变形。

本发明所提供的CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器，具有以下优点：

当在传感器上或在压变膜上施加压力时，则压变膜由于该压力而变形，在压变膜的边缘处出现最大的拉应力，在压变膜的中央处出现最大的压应力，这两种不同的机械应力被施加到场效应管的沟道上，改变了沟道电子迁移率从而改变了其压变电阻，通过这种与压力成比例的电阻变化，力学信号转变为电学信号的方式从而来获知压力。也正是通过压变电阻在压变膜上的灵活选位，才使得压变电阻通过压阻效应得到较大改变，减小传感器工作电流，实现低功耗，也可以得到较好的灵敏度。

另外，在通过压变电阻和金属导线构造的电路处，可以经由焊盘施加恒定的(例如5V)的电压，以便获得良好的测量结果。

现有的压阻式压力传感器大部分都采用正面进气，压变膜直接与外界环境接触，压变膜表面易受污染，可靠性不好；尽管可在芯片表面滴入凝胶来保护芯片不受污染，但是凝胶价格贵，大大增加了传感器成本。本发明硼硅玻璃底盖上的圆形通孔作用是引入压力源可以通过芯片背部引压腔引入，克服了常规芯片正面引入压力源所引起的污染、表面氧化等影响，且避免了压力源对芯片性能的影响，简化了芯体封装工艺。

本发明所述的CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器，相比典型器件结构具有灵敏度较高、线性度较高的优点，并降低了传感器的芯片尺寸。

所述CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)利用CMOS工艺制作压变电阻；

2)制作金属引线、焊盘；

3)在硅衬底背面刻蚀出引压腔的窗口，制作压变膜；

4)将硅衬底与硼硅玻璃底盖键合，然后划片，制成CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器。

在步骤2)中，所述制作金属引线、焊盘是在金属导线上通过掩膜溅射来施加焊盘，该焊盘用于将传感器与电流源或分析单元电连接，以便进行压变电阻的压力测量。

在步骤3)中，所述压变膜的制作方法1如下：利用碱性溶液从硅片的背面进行各向异性腐蚀，所述碱溶液含有硅，所述硅作为羟基络合物，在硅片的背面形成引压腔的同时在正面形成单晶硅感压薄膜；所述压变膜的制作方法2如下：采用电化学腐蚀，制作压阻的轻掺杂感压薄膜，通过恒电位仪，并采用夹具保护正面不被腐蚀而且施加电压到硅片的正面。

在步骤4)中，所述将硅衬底与硼硅玻璃底盖键合，然后划片，制成压力传感器芯片，其具体步骤如下：在硼硅玻璃底盖的上表面使用激光打孔的方法，在压膜片对应位置形成圆形通孔；通过静电键合的方法，使硼硅玻璃底盖与硅衬底键合，形成硅/玻璃静电键合结构，固定住传感器芯片，完成整个制作。

本发明对焊盘的构造通过溅射，例如利用掩膜的溅射来进行。在金属导线上淀积金属膜，其几何结构可通过掩膜来控制，通过该方法可以特别均匀的沉积金属；

本发明制备工艺中，采取先在正面制作出压变电阻(例如场效应管)后再进行引压腔光刻的方式，能够避免引压腔刻蚀完成以后再进行正面刻蚀时可能造成的传感器压变膜崩裂的危险。

附图说明

图1是本发明实施例(场效应管压阻式压力传感器)的剖视示意图；

图2是本发明实施例(场效应管压阻式压力传感器)的正视图；

图3是本发明实施例的CMOS工艺流程示意图，其中：

(a)为初始硅衬底的示意图；

(b)为形成PN之间的隔离区的示意图；

(c)为形成NMOS源极和漏极的示意图；

(d)为形成接触孔和第一层金属导线的示意图；

(e)为完成场效应晶体管的示意图。

图中各附图标记说明如下：

1—硅衬底；2—压变膜；3—压变电阻；4—金属引线；5—焊盘；6—引压腔；7—硅/玻璃静电键合结构；8—圆形通孔；9—硼硅玻璃底盖；10—氧化硅；11—氮化硅；12—P型阱；13—多晶硅；14—源漏极；15—未掺杂的氧化层；16—含硼磷的氧化层；17—第一层金属导线；18—二氧化硅介电质；19—流态二氧化硅；20—介电质；21—第二层金属；22—氧化层；23—氮化硅膜。

具体实施方式

下面提供一个具体制备实例，并配合附图，对本发明做进一步的说明，

参见图1～3，CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器设有硅衬底1、压变膜2、压变电阻3、金属引线4、焊盘5、引压腔6、圆形通孔8、硼硅玻璃底盖9；所述压变膜2设于硅衬底1上，所述压变电阻3设在压变膜2的中间和边缘位置，压变电阻3设至少2根；所述金属导线4和焊盘5设于压变膜2的边缘位置，所述引压腔6设于硅衬底1背面，所述硼硅玻璃底盖9与硅衬底1的下部键合并形成硅/玻璃静电键合结构7，硼硅玻璃底盖9上设有圆形通孔8，圆形通孔8用于引入压力源。

所述硅衬底1可由常见的未掺杂的硅构成，厚度可为300μm，这种衬底既可以在低温(诸如在环境温度)，也可以在超过1000℃的高温给予传感器足够的稳定性。

所述压变膜2可为方形压变膜，所述方形压变膜的两边固定，两边自由。

所述压变膜2的厚度可为0.5～20μm,优选1～10μm，压阻效应在高温时特别明显，因此在高温时，例如在高于500℃时是最好的。

所述压变电阻3可采用场效应管。

所述金属导线4以及焊盘5用于外接电路以检测压变膜2受到压力引起的变形。

所述CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

备片：使用单晶硅作为衬底如图3(a)所示，硅衬底1厚度可设为300μm。在如图2的位置上制作场效应管压变电阻3，经过清洗、SiO₂氧化、沉积Si₃N₄、光刻、去除Si₃N₄、注入硼离子形成P型阱、去除光刻胶、退火、去除Si₃N₄掺杂磷离子形成N型阱、退火、用HF去除SiO₂层、生成SiO₂层10、沉积氮化硅层11、生长未氮化硅保护的SiO₂层，形成PN之间的隔离区12；如图3(b)；

再经过去除氮化硅、利用氢氟酸去除电极区域的氧化层、形成电极氧化层、电极多晶硅的淀积、电极掩膜的形成、利用活性离子刻蚀技术刻蚀出多晶硅13电极结构、利用氧化技术，在晶圆表面形成一层氧化层，涂布光刻胶后，利用光刻技术形成NMOS源极与漏极区域的屏蔽，再利用离子注入技术将砷元素注入源极与漏极区域，而后将晶圆表面的光刻胶去除，形成NMOS源极和漏极14；如图3(c)；

制作引线孔(即接触孔)和金属引线，步骤包括：利用PECVD沉积一层无掺杂氧化层15，保护元件，并进行退火处理、沉积掺杂硼磷的氧化层16、涂布光刻胶，利用光刻技术形成第一层接触金属孔的屏蔽。再利用活性离子刻蚀技术刻蚀出接触孔、利用溅镀技术，在晶圆上溅镀一层钛/氮化钛/铝/氮化钛之多层金属膜、利用光刻技术定义出第一层金属的屏蔽。接着将铝金属利用活性离子刻蚀技术刻蚀出金属导线的结构17；如图3(d)；

在表面沉积二氧化硅介电质18和流态的二氧化硅19并再淀积一层介电层20在晶圆上，利用光刻技术定出VIA孔洞，沉积第二层金属21，并刻蚀出连线结构。然后用PECVD法沉积氧化层22和氮化硅23以形成保护层；如图3(e)在金属导线4上通过利用掩膜溅射来施加焊盘5。该焊盘5用于将传感器与电流源或分析单元电连接，以便可以执行场效应管压变电阻的压力测量，其几何结构可通过掩膜来控制，通过该方法可以特别均匀的沉积金属；

制作压变膜3，可以通过利用碱性溶液从硅片的背面进行各向异性腐蚀制备，或是通过恒电位仪进行电化学腐蚀至深度为280μm，在硼硅玻璃底盖9的上表面使用激光打孔的方法，在压膜片2对应位置形成圆形通孔8；通过静电键合的方法，使硼硅玻璃底盖9与硅衬底1键合，形成硅/玻璃静电键合结构7，固定住传感器芯片，划片，将整个硅片切割成小片，每个小片是一个完整的CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器，根据不同的设计可以分割出100到200个不同的压阻式压力传感器。

Claims (5)

1.CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器，其特征在于设有硅衬底、压变膜、压变电阻、金属引线、焊盘、引压腔、圆形通孔、硼硅玻璃底盖；所述压变膜设于硅衬底上，所述压变电阻设在压变膜的中间和边缘位置，压变电阻设至少2根；所述金属引线和焊盘设于压变膜的边缘位置，所述引压腔设于硅衬底背面，所述硼硅玻璃底盖与硅衬底的下部键合并形成硅/玻璃静电键合结构，硼硅玻璃底盖上设有圆形通孔，圆形通孔用于引入压力源；

所述压变膜为方形压变膜，所述方形压变膜的两边固定，两边自由；

所述压变膜的厚度为0.5～20μm。

2.如权利要求1所述CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器，其特征在于所述硅衬底由未掺杂的硅构成，厚度为300μm。

3.如权利要求1所述CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器，其特征在于所述压变膜的厚度为1～10μm。

4.如权利要求1所述CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器，其特征在于所述压变电阻采用场效应管。

5.如权利要求1～4中任一所述CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)利用CMOS工艺制作压变电阻；

2)制作金属引线、焊盘；所述制作金属引线、焊盘是在金属引线上通过掩膜溅射来施加焊盘；

3)在硅衬底背面刻蚀出引压腔的窗口，制作压变膜；所述压变膜的制作方法如下：利用碱性溶液从硅片的背面进行各向异性腐蚀，所述碱溶液含有硅，所述硅作为羟基络合物，在硅片的背面形成引压腔的同时在正面形成单晶硅感压薄膜；或所述压变膜的制作方法如下：采用电化学腐蚀，制作压阻的轻掺杂感压薄膜，通过恒电位仪，并采用夹具保护正面不被腐蚀而且施加电压到硅片的正面；

4)将硅衬底与硼硅玻璃底盖键合，然后划片，制成CMOS工艺兼容的压阻式压力传感器的具体步骤如下：在硼硅玻璃底盖的上表面使用激光打孔的方法，在压膜片对应位置形成圆形通孔；通过静电键合的方法，使硼硅玻璃底盖与硅衬底键合，形成硅/玻璃静电键合结构，固定住传感器芯片，完成整个制作。