CN105716750B - 一种mems压阻式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

一种mems压阻式压力传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种MEMS压阻式压力传感器及其制备方法。本发明首次提出具有回旋镖结构的硅应变膜，压敏电阻排布于回旋镖结构的应力集中处，提高了压阻式压力传感器的灵敏度和线性度；选择LPCVD的SiO2/Si3N4作为KOH腐蚀工艺的掩膜，提高了KOH背腔腐蚀工艺中掩膜对K+的阻挡特性从而保证传感器的高可靠性；采用了硅玻璃阳极键合工艺，其中的玻璃起到了应力缓冲的作用，提高了传感器在后续封装和测试中的稳定性。本发明的MEMS压阻式压力传感器同时具有较高的灵敏度和线性度，其制备方法兼容于通用的MEMS加工技术，产品可靠性以及成品率较高。

Description

一种MEMS压阻式压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于微电子机械系统(MEMS)传感器设计领域，涉及一种MEMS压阻式压力传感器，以及采用MEMS加工方法实现硅片级压力传感器制造的方法。
背景技术
MEMS技术是基于IC制造技术发展起来的，但是两者存在很大的差别。传统的IC加工技术是平面二维加工，IC突出优点是处理电信号能力强；而MEMS技术是三维加工，MEMS突出优点是可以在芯片尺度上实现非电信号到电信号的转换。基于MEMS技术制造的压阻式压力传感器自MEMS产生以来一直得到了广泛的应用，应用领域包括汽车、航空航天、生物医疗和工业控制等。
压阻效应发现于19世纪50年代，基于压阻效应的压力传感器一直都是主要的压阻式MEMS器件之一。压阻式压力传感器主要功能是将外界压力信号转化为相应的电信号。外界压力变化，传感器应变膜发生变形，同时使用离子注入工艺制作的压敏电阻区产生变形。由于压阻效应，压敏电阻区的电阻发生变化。传感器设计中，将压敏电阻连接形成惠斯通电桥，将压敏电阻的电阻变化转化为对应的电压变化，从而根据电压输出实现对压力的测量。
压力传感器的主要性能指标是灵敏度和线性度。对于典型方膜压力传感器，传感器的灵敏度与膜片的长度的平方正相关，与厚度负相关。所以要实现高灵敏度，方膜需要薄而大。然而，随着膜片变形能力的增加，压力传感器的线性度急剧变差，从而严重降低了压力传感器的测试精度。
微压压力传感器需要很高的灵敏度和比较好的线性度。通常的解决方法是使用局部刚度增强技术，降低压力传感器的非线性误差。目前典型的微压传感器在获得高的灵敏度同时无法获得高的线性度，反过来，在获得高的线性度同时也无法保证高的灵敏度。
发明内容
本发明的目标在于，针对压阻式压力传感器高灵敏度和高线性度的矛盾，提出了一种新的MEMS压阻式压力传感器，以及其制备方法。该结构的传感器与典型结构的压力传感器相比，具有高灵敏度、高线性度、高稳定性和较小芯片尺寸的优点；该传感器制备方法与标准体硅压阻式压力传感器加工方法兼容，器件加工具有低成本和高成品率的优点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种MEMS压阻式压力传感器，包括：具有回旋镖结构的硅应变膜、压敏电阻、重掺杂接触区、金属引线和玻璃底座，所述硅应变膜为硅衬底背面经过背腔腐蚀工艺后形成的具有背腔的硅膜(背腔所在的面即为硅应变膜的背面)，所述回旋镖结构位于硅应变膜的正面，所述压敏电阻位于回旋镖结构的端部，所述金属引线与重掺杂接触区在硅应变膜的正面形成欧姆接触，所述玻璃底座为与硅应变膜的背面进行键合的带孔玻璃。
进一步地，所述硅衬底包括N型(100)晶面的单晶硅片或者SOI(silicon oninsulator)硅片。
进一步地，所述回旋镖结构为线性渐变十字梁，在靠近硅应变膜边缘位置处尺寸小，在远离硅应变膜边缘位置处尺寸大。
优选地，所述硅应变膜为方形或圆形，每个回旋镖结构的端部分布一组压敏电阻；优选地，每组压敏电阻包含4个压敏电阻，并且对称分布。
上述MEMS压阻式压力传感器的制备方法，其步骤包括：
1)在硅衬底正面制作压敏电阻和重掺杂接触区；
2)通过在硅衬底背面进行背腔腐蚀制作硅应变膜；
3)在硅应变膜正面制作引线孔和金属引线；
4)在硅应变膜正面制作回旋镖结构；
5)将步骤4)得到的带有回旋镖结构的硅应变膜与带孔的玻璃键合，然后划片，制成压力传感器。
上述步骤1)中通过离子注入的方式制作压敏电阻和重掺杂接触区。
上述步骤2)中先双面制作SiO2、然后双面制作Si3N4，作为背腔腐蚀掩膜，在硅片背面光刻背腔区并刻蚀出背腔腐蚀窗口，然后进行背腔腐蚀制作硅应变膜。
其中：SiO2可以通过热氧化、APCVD、LPCVD、PECVD等工艺制作，Si3N4可以通过APCVD、LPCVD、PECVD等工艺制作。SiO2和Si3N4制作工艺优选LPCVD工艺。背腔腐蚀工艺包括HNA、TMAH或KOH腐蚀工艺，优选为TMAH溶液各向异性腐蚀或者KOH溶液各向异性腐蚀。LPCVD制作的SiO2和Si3N4薄膜质量较好，而且对于K+的阻挡特性较好，有利于提高器件的稳定性。LPCVD的工艺温度对于压敏电阻区的离子的再分布影响较小。
上述步骤4)可以通过干法刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺制作回旋镖结构。干法刻蚀工艺优选RIE刻蚀工艺，湿法腐蚀工艺优选KOH溶液各向异性腐蚀工艺或HNA溶液各向同性腐蚀工艺。
上述步骤5)带有回旋镖结构的硅应变膜与玻璃键合优选阳极键合工艺。
本发明提出了一种MEMS压阻式压力传感器及其制备方法。回旋镖结构的梁膜的引入，一方面，提高了回旋镖端部的应力集中，压敏电阻放置于此位置，可以使传感器获得高灵敏度；另一方面，抑制了硅应变膜的大变形，使传感器同时也具有高线性度。
本发明为MEMS器件设计领域提供了一种新的微压压力传感器及其加工方法，这种方法加工的此结构的压力传感器具有高线性度、高灵敏度和较高的工艺可靠性。具体地，本发明的优势在于：
1)本发明的压力传感器具有高的灵敏度和线性度；
2)LPCVD的SiO2/Si3N4作为KOH腐蚀工艺的掩膜对KOH腐蚀工艺中的K+的阻挡特性较好，加工的器件具有较高的可靠性；
3)采用了硅玻璃阳极键合工艺，其中的玻璃对压力感应膜起到了应力缓冲的作用，提高了传感器在后续封装和测试中的稳定性。
附图说明
图1为具体实施例中压阻式压力传感器的制作的工艺流程图，其中：
图1(a)为硅衬底上热生长二氧化硅的示意图；
图1(b)为离子注入制作压敏电阻的示意图；
图1(c)为离子注入制作重掺杂接触区的示意图；
图1(d)为KOH背腔腐蚀制作方形硅膜的示意图；
图1(e)为硅片正面金属化的示意图；
图1(f)为硅片正面刻蚀回旋镖结构的示意图；
图1(g)为硅芯片与带孔的玻璃的阳极键合的示意图。
图2为回旋镖结构化的应力感应膜示意图。
图3压敏电阻分布示意图：
图3(a)为纵向压阻分布示意图；
图3(b)为横向压阻分布示意图。
图中：1—硅衬底；2—二氧化硅；3—压敏电阻；4—重掺杂接触区；5—氮化硅；6—背腔；7—引线孔及金属引线；8—光刻胶；9—回旋镖结构；10—玻璃。
具体实施方式
下面通过具体实施例并配合附图，对本发明做详细的说明。
本实施例的MEMS压阻式压力传感器的制备方法：在由背腔腐蚀工艺制作的方形膜片(也可以是圆形膜片)的边线中点位置制作4组沿着<110>晶向排布的压敏电阻，每组压敏电阻的个数可以是任意的(一般为1-5个)，本实施例为4个；在背腔腐蚀制作完成硅应变膜之后，在硅片正面刻蚀出回旋镖结构，压敏电阻位于回旋镖结构的边缘，压敏电阻处于应力集中区域。具体而言，该方法的步骤包括：
1)在硅片正面通过离子注入的方式制作压敏电阻和重参杂接触区；
2)双面制作SiO2、然后双面制作Si3N4，作为背腔腐蚀掩膜，硅片背面光刻背腔区并刻蚀出背腔腐蚀窗口，然后进行背腔腐蚀制作硅应变膜；
3)在硅片正面制作引线孔和金属引线；
4)在硅片正面光刻定义回旋镖结构的形状，然后制作应力优化分布的回旋镖结构；
5)硅芯片与带有孔的玻璃键合，然后划片，制成压力传感器芯片。
下面为一个具体实施例，图1所示为此MEMS压阻式压力传感器的制作工艺流程：
a)备片：N型(100)单晶硅片作为芯片的硅衬底1，硅片厚度为400μm，硅片表面热氧化生长二氧化硅2，如图1(a)所示；
b)制作压敏电阻3：硅片正面第一次光刻图形露出压敏电阻区域，RIE二氧化硅离子注入B+，推进，如图1(b)所示；
c)制作重掺杂接触区4：硅片正面第二次光刻图形露出重掺杂接触区，RIE二氧化硅离子注入B+，推进，如图1(c)所示；
d)制作硅应变膜：硅片两面LPCVD SiO2 LPCVD Si3N45硅片背面第三次光刻KOH腐蚀窗口；RIE Si3N4 RIE SiO2 去胶；KOH溶液腐蚀硅；腐蚀深度为380μm，获得KOH腐蚀背腔6；
e)制作引线孔及金属引线7：正面第四次光刻引线孔区，RIE SiO2 BHF漂自然氧化层；溅射Al 0.8-1μm；正面第五次光刻金属引线，湿法腐蚀Al 0.8-1um；Al合金化；
f)回旋镖结构9制作：正面第六次光刻回旋镖结构9(光刻胶8)，RIE SiO2 RIE硅16μm；回旋镖高度由器件的灵敏度决定，可以有不同的高度；
g)硅芯片与带有孔的玻璃10阳极键合；划片。该步骤将整个硅片裂片形成大量单个的压力传感器芯片，每个硅片根据设计的压力传感器面积大小和硅片面积大小可以得到不同数量的压力传感器芯片，典型数量为300个。
上述制备工艺中，采取先制作硅应变膜再正面刻蚀制作回旋镖的方法，SiO2和Si3N4掩膜对K+的阻挡能力较强，能够避免KOH腐蚀过程中K+的扩散，从而提高压力计芯片的可靠性。其中LPCVD工艺的温度范围为750到800℃，而金属Al的熔点是660℃，因此LPCVD工艺必须在Al金属化之前进行。
图2为回旋镖结构化的应力感应膜示意图。该硅岛呈现回旋镖形状，靠近应变膜边缘尺寸小，远离边缘尺寸大，在两者之间的过渡区域通过一定角度的直线连接，也可以使用弧线连接。
图3压敏电阻分布示意图：图3(a)为纵向压阻分布示意图；图3(b)为横向压阻分布示意图。4个压敏电阻3对称分布于回旋镖结构9的端部位置。
本发明的压力传感器中，压阻条的数量不限于图3中的数量，压阻条的连接方式也可以多样化；硅岛的几何形状也可以是其他形状，仍使靠近感应膜边缘位置尺寸小，远离边缘位置尺寸大。
本发明的突出特点在于首次提出回旋镖型的压阻式压力传感器设计，并且压敏电阻分布于回旋镖端部，在最大化灵敏度的同时也获得了较高的线性度。下面表1是本发明的压阻式压力传感器与传统压阻式压力传感器的实际测试的性能对比。可以看出，本发明的压力传感器具有最高的灵敏度、较高的线性度和最小的感应膜面积。
表1.本发明的压阻式压力传感器与传统压力计的实际测试性能数据对比
上述实施例中的压力传感器制作工艺仅是选择了一种典型的设计方案作说明，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以针对本发明中硅岛的结构和尺寸选择做一定的变化。本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (9)

1.一种MEMS压阻式压力传感器，包括：具有回旋镖结构的硅应变膜、压敏电阻、重掺杂接触区、金属引线和玻璃底座，所述硅应变膜为硅衬底背面经过背腔腐蚀工艺后形成的具有背腔的硅膜，所述回旋镖结构位于硅应变膜的正面，为线性渐变十字梁，在靠近硅应变膜边缘位置处尺寸小，在远离硅应变膜边缘位置处尺寸大；所述压敏电阻位于回旋镖结构的端部；所述金属引线与重掺杂接触区在硅应变膜的正面形成欧姆接触；所述玻璃底座为与硅应变膜的背面进行键合的带孔玻璃。
2.如权利要求1所述的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述硅衬底包括N型100晶面的单晶硅片或者SOI硅片。
3.如权利要求1所述的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，所述硅应变膜为方形或圆形，每个回旋镖结构的端部分布一组压敏电阻。
4.如权利要求3所述的MEMS压阻式压力传感器，其特征在于，每组压敏电阻包含4个压敏电阻，并且对称分布。
5.权利要求1-4任意一项所述MEMS压阻式压力传感器的制备方法，其步骤包括：
1)在硅衬底正面制作压敏电阻和重掺杂接触区；
2)通过在硅衬底背面进行背腔腐蚀制作硅应变膜；
3)在硅应变膜正面制作引线孔和金属引线；
4)在硅应变膜正面制作回旋镖结构；
5)将步骤4)得到的带有回旋镖结构的硅应变膜与带孔的玻璃键合，然后划片，制成压力传感器。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中通过离子注入的方式制作压敏电阻和重掺杂接触区。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中先双面制作SiO2、然后双面制作Si3N4，作为背腔腐蚀掩膜，在硅片背面光刻背腔区并刻蚀出背腔腐蚀窗口，然后进行背腔腐蚀制作硅应变膜。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，制作SiO2的工艺包括：热氧化、APCVD、LPCVD或PECVD；制作Si3N4的工艺包括：APCVD、LPCVD、PECVD；背腔腐蚀工艺包括HNA、TMAH或KOH腐蚀工艺。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中通过干法刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺制作回旋镖结构；步骤5)带有回旋镖结构的硅应变膜与带孔的玻璃通过阳极键合工艺键合。
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