CN105036054B - 一种mems压力传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS压力传感器及其制造方法，在衬底上方设有与衬底形成真空腔的敏感膜层，所述敏感膜层包括位于中部的敏感部，以及位于敏感部边缘、支撑在衬底上的支撑部，其中，敏感部所在的平面低于支撑部，并通过倾斜部与支撑部连接在一起，以使敏感部、倾斜部、支撑部构成阶梯状结构。本发明的MEMS压力传感器，敏感膜层中的敏感部、倾斜部、支撑部具有阶梯状的“下沉”结构，在沉积敏感膜层的过程中，可以使其内应力得到彻底的释放；该敏感膜层的弹性系数较低，可以获得较高的灵敏度；另外，敏感部通过倾斜部与支撑部连接，可以大大降低敏感部对应力变化的敏感性，从而提高了芯片的信噪比，提升了压力传感器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，更具体地，涉及一种MEMS压力传感器；本发明还涉及一种MEMS压力传感器的制造方法。
背景技术
现行的技术方案中，MEMS压力传感器主要有电容式和压阻式两种，其中，压阻式压力传感器是通过离子注入的方法，在压力敏感膜上制作压敏电阻条，形成惠斯通电桥，压力敏感膜是平整的。当外界的压力变化时，会使压力敏感膜发生向上或向下的形变，导致压敏电阻条的阻值发生变化，从而通过惠斯通电桥检测到外界压力的变化。
上述技术方案，存在其内在的缺点，当芯片所在的主板发生形变时，外界的应力自衬底向上传递，直至压力敏感膜，而压阻式压力敏感膜本身对应力是非常敏感的，MEMS压力传感器输出会随着应力的变化而发生变化，降低了压力传感器的性能。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种MEMS压力传感器的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种MEMS压力传感器，包括衬底，以及位于衬底上方并与衬底形成真空腔的敏感膜层，所述敏感膜层包括位于中部的敏感部，以及位于敏感部边缘、支撑在衬底上的支撑部，其中，敏感部所在的平面低于支撑部，并通过倾斜部与支撑部连接在一起，以使敏感部、倾斜部、支撑部构成阶梯状结构；在所述敏感部上设置有压敏电阻，所述压敏电阻上设置有供信号引出的引线。
优选地，所述支撑部与衬底之间设置有第一绝缘层。
优选地，所述倾斜部本身具有至少一个阶梯结构。
优选地，所述引线的一端连接在压敏电阻上，另一端沿着倾斜部的表面延伸至支撑部上，并在支撑部上形成焊盘。
优选地，所述引线与敏感部、倾斜部、支撑部之间设有第二绝缘层。
优选地，所述衬底包括位于底部的第二衬底，以及设置在第二衬底上端用于支撑敏感膜层的第一衬底。
优选地，所述第一衬底为单晶硅，其具有<100>的晶向。
本发明还提供了一种MEMS压力传感器的制造方法，包括以下步骤：
a)在第一衬底的上表面形成近似等腰梯形的凹槽；该凹槽具有位于底部的平面，以及位于侧壁的斜面；
b)在第一衬底的整个上表面沉积第一绝缘层；
c)在整个第一绝缘层的上表面沉积敏感膜层；
d)在整个敏感膜层的上表面沉积第二绝缘层，并对第二绝缘层进行刻蚀，形成供离子注入的窗口；
e)通过刻蚀的窗口在敏感膜层相应的位置进行离子注入，形成压敏电阻；
f)对第一衬底的背面进行刻蚀，形成背腔；
g)将悬置在背腔上方的第一绝缘层刻蚀掉；
h)将第一衬底键合在第二衬底上，以使第一衬底、第二衬底、敏感膜层围成真空腔。
优选地，在所述步骤e)和步骤f)之间还包括在第二绝缘层、压敏电阻的上表面沉积金属层，刻蚀形成连接压敏电阻的引线的步骤。
优选地，在所述步骤f)之前还包括将第一衬底减薄至预定厚度的步骤。
本发明的MEMS压力传感器，敏感膜层中的敏感部、倾斜部、支撑部具有阶梯状的“下沉”结构，在沉积敏感膜层的过程中，可以使其内应力得到彻底的释放；与传统平整的压力敏感膜相比，由于本发明的敏感膜层具有阶梯状的结构，使得该敏感膜层的弹性系数较低，可以获得较高的灵敏度；另外，敏感部通过倾斜部与支撑部连接，可以大大降低敏感部对应力变化的敏感性，从而提高了芯片的信噪比，提升了压力传感器的性能。
本发明的发明人发现，在现有技术中，当芯片所在的主板发生形变时，外界的应力自衬底向上传递，直至压力敏感膜，而压阻式压力敏感膜本身对应力是非常敏感的，MEMS压力传感器输出会随着应力的变化而发生变化，降低了压力传感器的性能。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明MEMS压力传感器的结构示意图。
图2至图9是本发明MEMS压力传感器制造方法的工艺流程图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
参考图1，本发明提供了一种MEMS压力传感器，其包括衬底，以及支撑在衬底上方的敏感膜层，该敏感膜层与衬底构成了真空腔8。为了便于制造，所述衬底采用两体分立式，其包括位于底部的第二衬底1，以及设置在第二衬底1上端、作为侧壁部的第一衬底2，敏感膜层支撑在第一衬底2上，使得敏感膜层、第一衬底2、第二衬底1围成了真空腔8。
其中，所述敏感膜层包括位于中部的敏感部3c，以及位于敏感部3c边缘的支撑部3a，该支撑部3a和敏感部3c可以是一体的，例如可以采用多晶硅材料。该敏感部3c上设置有压敏电阻4，在敏感部3c上形成压敏电阻4的方法属于本领域技术人员的公知常识，例如可通过离子注入的方式在敏感部3c上形成重掺杂区、轻掺杂区，掺杂的材料可以是硼元素。该敏感部3c上经过重掺杂、轻掺杂的区域成为P型的压敏电阻4。为了将压敏电阻4的信号引出，在所述压敏电阻4上还设置有引线6，具体地，该引线6连接的位置为压敏电阻4上的重掺杂区。
支撑部3a主要为敏感部3c提供支撑，使得该敏感部3c保持在预定的位置。具体地，支撑部3a可通过第一绝缘层7连接在衬底的上端，从而将敏感部3c保持在真空腔8的上方。
本发明的MEMS压力传感器，敏感部3c所在的平面低于支撑部3a所在的平面，并且二者之间通过倾斜部3b连接在一起，以使敏感部3c、倾斜部3b、支撑部3a构成了阶梯状的结构。其中，敏感部3c、倾斜部3b、支撑部3a可以是一体的，采用多晶硅材料制成。
本发明的MEMS压力传感器，敏感膜层中的敏感部、倾斜部、支撑部具有阶梯状的“下沉”结构，在沉积敏感膜层的过程中，可以使其内应力得到彻底的释放；与传统平整的压力敏感膜相比，由于本发明的敏感膜层具有阶梯状的结构，使得该敏感膜层的弹性系数较低，可以获得较高的灵敏度；另外，敏感部通过倾斜部与支撑部连接，可以大大降低敏感部对应力变化的敏感性，从而提高了芯片的信噪比，提升了压力传感器的性能。
其中，所述倾斜部3b可以是从支撑部3a位置逐渐过渡至敏感部3c位置的斜面，在本发明一个优选的实施方式中，所述倾斜部3b本身具有至少一个阶梯结构，使得敏感部3c、倾斜部3b、支撑部3a构成了多层阶梯结构。其中，倾斜部3b上阶梯的数量不限，根据设计要求而定。
本发明中，引线6与压敏电阻4的连接可以采用本领域技术人员所熟知的结构，在本发明一个优选的实施方式中，所述引线6的一端连接在压敏电阻4上，另一端沿着倾斜部3b的表面延伸至支撑部3a上，并在支撑部3a上形成焊盘，以便与外界电路连接。为了保证引线6的绝缘，其中，所述引线6与敏感部3c、倾斜部3b、支撑部3a之间设有第二绝缘层5。
本发明还提供了一种MEMS压力传感器的制造方法，其包括以下步骤：
a)在第一衬底2的上表面形成近似等腰梯形的凹槽；该凹槽具有位于凹槽底部的平面2b，以及位于凹槽侧壁的斜面2a，其中，第一衬底2优选采用单晶硅材料，其具有<100>的晶向，利用单晶硅<100>的各向异性，通过腐蚀，可在斜面2a上形成多层阶梯结构，其中，腐蚀的阶梯数不限，根据实际设计要求而定，参考图2；
b)在第一衬底2的整个上表面沉积第一绝缘层7，该第一绝缘层7可以是氧化硅材料，其具有均一的厚度，沿着第一衬底2的整个上表面沉积，并与第一衬底2的上表面具有近似一致的结构，参考图3；
c)在整个第一绝缘层7的上表面沉积敏感膜层3，参考图4；该敏感膜层3可以采用多晶硅材料，其具有均一的厚度，沿着第一绝缘层7的上表面沉积，并形成了位于中部的敏感部3c、位于边缘的支撑部3a，以及位于敏感部3c和支撑部3a之间的倾斜部3b；
d)在整个敏感膜层3的上表面沉积第二绝缘层5，参考图5，该第二绝缘层5可以是氧化硅材料，其具有均一的厚度，沿着敏感膜层3的整个上表面沉积，并与敏感膜层3的上表面具有近似一致的结构；之后对第二绝缘层5进行刻蚀，形成供离子注入的窗口50，以便将该位置的敏感膜层3露出；
e)通过刻蚀的窗口50在敏感膜层3相应的位置进行离子注入，形成压敏电阻4，参考图6；例如可通过离子注入的方式在敏感部3c上形成重掺杂区、轻掺杂区，掺杂的材料可以是硼元素；该敏感部3c上经过重掺杂、轻掺杂的区域成为P型的压敏电阻4；
f)对第一衬底2的背面进行刻蚀，形成背腔，参考图8；例如可通过本领域技术人员所熟知的体硅腐蚀的办法形成背腔，到达第一绝缘层7时自动停止；
当然，在此步骤之前，根据实际需要还包括将第一衬底2减薄至预定厚度的步骤。
g)正面保护，将背腔上方的第一绝缘层7刻蚀掉，从而将敏感膜层3中的敏感部3c、倾斜部3b释放开来，参考图9；在进行正面保护的时候，可以采用光刻胶材料，将其固化在第二绝缘层5、压敏电阻4的上表面，后续可通过有机溶剂将其去掉；
h)将第一衬底2键合在第二衬底1上，以使第一衬底2、第二衬底1、敏感膜层3围成真空腔8，最终形成了如图1所示的MEMS压力传感器。其中，第一衬底2、第二衬底1可以采用相同的材质，例如单晶硅材料等，二者可通过本领域技术人员所熟知的方式键合在一起。
在本发明一个优选的实施方式中，为了形成引线6，在所述步骤e)和步骤f)之间还包括在第二绝缘层5、压敏电阻4的上表面沉积金属层的步骤，该金属层具有均一的厚度，之后对金属层进行刻蚀，形成连接压敏电阻4的引线6，该引线6沿着倾斜部3b一直延伸至支撑部3a上，并在支撑部3a的位置形成了焊盘，参考图7。
本发明的制造方法，可充分利用单晶硅各向异性的特性，在第一衬底上形成阶梯状的结构，之后在阶梯状的第一衬底上沉积压力敏感膜，进而形成阶梯状的敏感膜层，可以有效地降低敏感膜层对应力的敏感性，降低了外界应力对压敏电阻的影响，同时也提高了压敏电阻的灵敏度，提升了压力传感器的性能。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种MEMS压力传感器，其特征在于：包括衬底，以及位于衬底上方并与衬底形成真空腔(8)的敏感膜层(3)，所述敏感膜层(3)包括位于中部的敏感部(3c)，以及位于敏感部(3c)边缘、支撑在衬底上的支撑部(3a)，其中，敏感部(3c)所在的平面低于支撑部(3a)，并通过倾斜部(3b)与支撑部(3a)连接在一起，以使敏感部(3c)、倾斜部(3b)、支撑部(3a)构成阶梯状结构；在所述敏感部(3c)上设置有压敏电阻(4)，所述压敏电阻(4)上设置有供信号引出的引线(6)。
2.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于：所述支撑部(3a)与衬底之间设置有第一绝缘层(7)。
3.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于：所述倾斜部(3b)本身具有至少一个阶梯结构。
4.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于：所述引线(6)的一端连接在压敏电阻(4)上，另一端沿着倾斜部(3b)的表面延伸至支撑部(3a)上，并在支撑部(3a)上形成焊盘。
5.根据权利要求4所述的MEMS压力传感器，其特征在于：所述引线(6)与敏感部(3c)、倾斜部(3b)、支撑部(3a)之间设有第二绝缘层(5)。
6.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于：所述衬底包括位于底部的第二衬底(1)，以及设置在第二衬底(1)上端用于支撑敏感膜层(3)的第一衬底(2)。
7.根据权利要求6所述的MEMS压力传感器，其特征在于：所述第一衬底(2)为单晶硅，其具有<100>的晶向。
8.一种MEMS压力传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)在第一衬底(2)的上表面形成近似等腰梯形的凹槽；该凹槽具有位于底部的平面(2b)，以及位于侧壁的斜面(2a)；
b)在第一衬底(2)的整个上表面沉积第一绝缘层(7)；
c)在整个第一绝缘层(7)的上表面沉积敏感膜层(3)；
d)在整个敏感膜层(3)的上表面沉积第二绝缘层(5)，并对第二绝缘层(5)进行刻蚀，形成供离子注入的窗口(50)；
e)通过刻蚀的窗口(50)在敏感膜层(3)相应的位置进行离子注入，形成压敏电阻(4)；
f)对第一衬底(2)的背面进行刻蚀，形成背腔；
g)将悬置在背腔上方的第一绝缘层(7)刻蚀掉；
h)将第一衬底(2)键合在第二衬底(1)上，以使第一衬底(2)、第二衬底(1)、敏感膜层(3)围成真空腔(8)。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于：在所述步骤e)和步骤f)之间还包括在第二绝缘层(5)、压敏电阻(4)的上表面沉积金属层，刻蚀形成连接压敏电阻(4)的引线(6)的步骤。
10.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于：在所述步骤f)之前还包括将第一衬底(2)减薄至预定厚度的步骤。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 261031 Dongfang Road, Weifang high tech Development Zone, Shandong, China, No. 268 Applicant after: Goertek Inc. Address before: 261031 Dongfang Road, Weifang high tech Development Zone, Shandong, China, No. 268 Applicant before: Goertek Inc. |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200608 Address after: 266104 room 103, 396 Songling Road, Laoshan District, Qingdao, Shandong Province Patentee after: Goer Microelectronics Co.,Ltd. Address before: 261031 Dongfang Road, Weifang high tech Development Zone, Shandong, China, No. 268 Patentee before: GOERTEK Inc. |
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| TR01 | Transfer of patent right |